Обоснование параметров фильтрокомпенсирующего устройства для участка молочно-товарной фермы

Введение. Надежность и эффективность электроснабжения потребителей во многом зависит от качества электрической энергии в электрических сетях. Обеспечение качества электроэнергии несомненно повышает эффективность работы электроприемников. В одной из работ [1] авторами исследована система электроснабжения типового сельскохозяйственного объекта ООО «АП Соловьевское» Княгининского района Нижегородской области, что позволило выявить влияние высших гармоник на качество электрической энергии. На основании результатов проведенного инструментального обследования выявлены наиболее емкие нелинейные нагрузки, образующие высшие гармоники.

Целью данной работы является снижение влияния высших гармоник в рамках электросети сельскохозяйственного объекта, а также улучшение качества и экономии электроэнергии согласно ГОСТ 321442013 [2]. Для уменьшения этого влияния, т. е. для корректировки качества электроэнергии, применяются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), статические и динамические источники реактивной мощности, которые в той или иной степени позволяют «подавлять» высшие гармонические составляющие [3]. Решение этой проблемы опирается на технико-экономическое обоснование. Во-первых, это учет технологического ущерба от недоотпуска продукции и функциональных нарушений технологического процесса. Во-вторых, в вследствие снижения дополнительных потерь.

На рисунке 1 представлена часть системы электроснабжения предприятия, относящаяся к низкому классу напряжения.

Рисунок 1 - Схема электроснабжения участка МТФ ООО «АП Соловьевское»

Проведенное обследование согласно ГОСТ 30804.4.7 - 2013 [4] выявило комплекс электроприемников часть которых относится к нелинейным нагрузкам, образующих высшие гармоники (электроприводы с регулируемой скоростью вращения, холодильное оборудование, импульсные источники электропитания и др.) и группу электроприемников относящихся к «пассивной» нагрузке. Все электроприемники получают питание с шин РУ 0,4 кВ КТП. На КТП установлен трансформатор ТМ-160/10/0,4 номинальной мощностью 160 кВ^Л. Технические характеристики трансформатора [5]:

• -    потери короткого замыкания ЛР к = 2,65 кВт;

• -    потери холостого хода ЛР х = 0,46 кВт;

• -    ток холостого хода I х_х = 2,4 %;

• -    напряжение короткого замыкания и к = 4,5 %.

Мощность нелинейной нагрузки S _н._н = 63 кВ^Л, cos ф _н._н = 0,6, мощность «пассивной» нагрузки S _п._н = 81 кВ^Л, cos ф _п._н = 0,8. Мощность трехфазного короткого замыкания на выводах ВН трансформатора КТП

( S кз.вн ) составляет 3,56 МВ·А. По условиям нормальной работы потребителей коэффициент искажения синусоидальности напряжения на шинах 0,4 кВ не должен превышать 8%.

Для расчета ФКУ при установке на шинах 0,4 кВ КТП необходимо составить баланс мощностей. Баланс мощности «пассивной» нагрузки:

Рпн = SnH • cos

Qn.H = SnH • sin

Баланс мощности нелинейной нагрузки:

Рн.н = SH.H • cos

QH.H = SHH • sin

Суммарная активная и реактивная мощность электроприемников участка МТФ:

Рэ = 102,6 кВт;   Q3 = 99 кВАр.

Сопротивления трансформатора, приведенные к номинальному напряжению 0,4 кВ:

ДР • U2

Дт =   к2 ном = 0,0165 Ом;

^ном.тр

и и2

Хт = "T^ =0,0417 Ом.

¹⁰⁰^ном.тр

Сопротивление внешней сети на выводах ВН трансформатора:

Хс = ^аом.ва = 28,09 Ом,

^кз.вн это же сопротивление, приведенное к низкому напряжению, составляет 0,045 Ом.

Сопротивления ветви схемы замещения, которая соответствует цепи «пассивной» нагрузки:

_D      ^ином • ^C0S<n.H

Rn.H =----S-------= 1,58 Ом;

_v      ^ином • ^sin<n.H

Хп.н =-----=-------= 1,19 Ом.

^Sn.H

Коэффициент загрузки β принимаем равным номинальному для случая однотрансформаторной ТП с преобладающей нагрузкой II категории по ПУЭ, т. е. β_ном = 0,8, тогда потери активной мощности в трансформаторе:

ДРтр = ДРх + ДРк • ^2 = 2,16 кВт.

Активная мощность, потребляемая на стороне ВН трансформатора КТП равна 104,8 кВт. По условию работы питающей сети требуется выдерживать соотношение реактивной и активной мощностей, определяемое величиной tgφ = 0,4 [6]. Тогда значение реактивной мощности на стороне ВН трансформатора должно быть не более 41,92 кВАр. При этом потери реактивной мощности в трансформаторе составят:

^ДQTр   ^хх • ^ном.тр ⁺^к • ^ном.тр • ^    ⁸,^{45 кВАр}.

Следовательно, на шинах 0,4 кВ потребляется не более 33,5 кВАр. Тогда мощность компенсирующей установки должна составлять не менее 65,5 кВАр. Предварительно можно принять к установке компенсирующее устройство в виде батареи статических конденсаторов (БК) мощностью Q_бк = 70 кВАр. Сопротивление одной фазы КУ составит:

и2

Хбк = тном = 2,29 Ом.

Ч:бк

По данным расчета составлена схема замещения, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема замещения сети:

Z₁– сопротивление трансформатора и внешней сети;

Z₂ – сопротивление «пассивной» нагрузки

Далее необходимо проверить несинусоидальность на шинах 0,4 кВ КТП. Рассчитывается эквивалентное сопротивление ветвей Z₁ и Z₂ схемы замещения с учетом того что из внешней сети несинусоидальные токи не поступают.

Эквивалентное сопротивление Z_э:

Z^

Z3 = „ 1 2 = 0,018 + j0,083 Ом.

э  Zi + Z

В дальнейших расчетах для увеличения точности учтем зависимость индуктивного и емкостного сопротивления от номера гармоники:

ХL(ν) = ωL = νω0L;

1       1

Xc(v) =

где ω – угловая частота (2πf); L – индуктивность элемента сети; ω₀ – угловая частота для основной гармоники напряжения и токов (314 с^-1); С – емкость элемента схемы.

На рисунке 3 показана диаграмма состава спектра гармоник по току и напряжению.

Соловьево_£ТС

23 01.15 1 4:22:39

f| Гармоники по току LI          "|Гармоники по току L2          ^(гармоники потоку L3

1гармоники по напряжению lX Гармоники по напряжению L2 ■ Гармоники по напряжению L3

Рисунок 3 – Спектр гармоник по току и напряжению

Анализ графиков позволяет выявить присутствие высших гармоник 3, 5, 7, 9, 11 и 21-го порядков. Для дальнейших расчетов будем считать нелинейную нагрузку источником токов 3, 5, 7, 9 и 11-й гармоник, который зависит от номера гармоники:

!(1)

‘(^) = v .

Исходя из этого рассчитываем величины эквивалентных сопротивлений для гармоник 3, 5, 7, 9 и 11:

Z3(v = 3) = 0,018 + j3 • 0,083 = 0,018 + j0,249 Ом;

Z₃(v = 5) = 0,018 + j5 • 0,083 = 0,018 + j0,415 Ом;

Z3(v = 7) = 0,018 + j7 • 0,083 = 0,018 + j0,581 Ом;

Z3(v = 9) = 0,018 + j9 • 0,083 = 0,018 + j0,747 Ом;

Z3(v = 11) = 0,018 + j11 • 0,083 = 0,018 + j0,913 Ом.

Сопротивления батареи конденсаторов:

—j2,29

Z₆k(v = 3) = -^— = -j0,763 Ом;

-j2,29

Z_6k(v = 5) =   5   = -j0,458 Ом;

-j2,29

Z₆k(v = 7) =       = -j0,327 Ом;

-j2,29

Z₆k(v = 9) =       = -j0,254 Ом;

-j2,29

Z₆k(v = 11) =       = -j0,208 Ом.

Суммарное сопротивление (Z₃(v) и Z_6k(v)) является сопротивлением нагрузки для токов гармоники v, источником которых является нелинейная нагрузка:

ZBH(v = 3) = 0,039 + j0,368 Ом;

ZBH(v = 5) = 1,73 + j3,692 Ом;

ZBH(v = 7) = 0,03 - j0,746 Ом;

ZBH(v = 9) = 0,005 - j0,384 Ом;

ZBH(v = 11) = 0,0016 - j0,269 Ом.

Модули этих сопротивлений:

|Zbh(v = 3)|=0,37 Ом;

|Zbh(v = 5)|=4,08 Ом;

|Zbh(v = 7)|= 0,746 Ом;

|ZBH(v = 9)| = 0,385 Ом;

|ZBH(v = 11)| = 0,269 Ом.

Расчет величин токов для этих гармоник:

⁷(v)= 7-^d), А;

/ (v = 3) = 0,33 • 61 = 20,13 А;

/ (v = 5) = 0,2 • 61 = 12,2 А;

/(v = 7) = 0,14 • 61 = 8,54 А;

/(v = 9) = 0,11 • 61 = 6,71 А;

/(v = 11) = 0,09 • 61 = 5,55 А, где /(„) - величина тока основной гармоники нелинейной нагрузки (определенная по графику нагрузки предприятия).

Фазные значения падения напряжения на этих сопротивлениях:

Ubh(v = 3) = 7,45 В;

Ubh(v = 5) =49,8 В;

Ubh(v = 7) = 6,4 В;

Ubh(v = 9) =2,58 В;

Ubh (v = 11) = 1,5 В.

На рисунке 4 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) внешнего индуктивного сопротивления Х_вн в зависимости от номера гармоники. Как видно из рис. 4 внешнее реактивное сопротивление на низких частотах, включая основную, до 250 Гц (v = 5) имеет индуктивный характер, а с ростом частоты становится максимальным на резонансной частоте f_ar, где резко меняет свой характер на емкостный и снижается с дальнейшим ростом частоты.

Рисунок 4 - Зависимость Хвн = /(v)

На рисунке 5 приведена зависимость величины полного внешнего сопротивления Хвн от номера гармоники.

Рисунок 5 - Зависимость 7вн = /(v)

Как видно из графика на 5-й гармонике в схеме наблюдается резонанс сопротивлений, т. е. внешнее сопротивление возрастает до токов соответствующей гармоники и, следовательно, увеличивается падение напряжения на шинах РУ.

Величина коэффициента искажения синусоидальности напряжения рассчитывается по формуле:

ТЁМНоо

• 100 %;

Ku

^ном

__________________________Ku_________________________

№ (v = 3) + UBh (V = 5) + UBh(v = 7) + UBh(v = 9) + UbBh(v = 11)

=-----------------------—-------------------------100 % ином

= 23 %.

Коэффициент искажения синусоидальности напряжения K_u = 23 %, что значительно больше предельно допустимого ГОСТом [2] на шинах КТП.

Из приведенных расчетов можно сделать вывод о том, что установка БК невозможна вследствие возникновения резонанса в сети на частоте 5-й гармоники. В этом случае имеется опасность гармонического перенапряжения особенно при малой нагрузке сети, что представляет определенную опасность для батареи конденсаторов. В этом случае рекомендуется установка ФКУ, которое выполняет две функции:

• 1)    на частоте основной гармоники – функции батареи

конденсаторов;

• 2)    на резонансной частоте имеет нулевое сопротивление для токов этой частоты, которое препятствует их протеканию во внешнюю сеть.

Схема ФКУ представляет собой последовательное соединение индуктивности (реактора) и емкости (БК). Ветвь, созданная индуктивностью и конденсатором, образуют последовательную резонансную цепь, имеющую полное сопротивление:

Z = г + j(Lto

—

-) сш/

, представляющее:

• -    минимальное активное сопротивление r (активное сопротивление реактора) на частоте резонанса far;

• -    емкостное реактивное сопротивление на частотах ниже far;

• -    индуктивное реактивное сопротивление на частотах выше far.

Компенсация реактивной мощности и величина напряжения на зажимах конденсатора зависят от L и С. В зависимости от расположения

частоты последовательного резонанса по отношению к спектру гармоник, имеются два различных варианта выбора величины индуктивности реактораL:

• -    защитный реактор (последовательный резонанс вне спектра гармоник);

• -    реактор фильтра (последовательный резонанс на одной из гармоник спектра).

В данном случае выбран реактор фильтра так как он, имея емкостный характер на частотах ниже резонансной, компенсирует реактивную мощность на промышленной частоте.

Параметры ФКУ определяются по результатам решения системы двух уравнений, описывающих его поведение:

^2

V^xl(d^— ;^с<1) - ^—j --------^;

хтреб.комп.

И           jX_C№

jVpe3XL(i) — ^-0.

"рез

Решая эту систему уравнений при полученной частоте резонанса vpe3 — 5 определяются все необходимые данные:

XL(1) — 0,095 Ом;

Хс№ — 2,385 Ом.

Зависимость внешнего полного сопротивления от частоты при выбранных параметрах ФКУ представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость Z_вн для схемы после установки ФКУ

Выводы: В результате проведенного исследования выявлено, что при применении компенсирующих устройство в виде батареи статических конденсаторов в системах электроснабжения наблюдаются резонансные явления.

Выбор фильтрокомпенсирующего устройства должен осуществляться исходя из расчета показателей качества электроэнергии согласно ГОСТ 32144-2013 в точке присоединения нелинейной нагрузки.

Предложена методика выбора ФКУ для типового сельскохозяйственного предприятия с учетом его совместной работы с нелинейной нагрузкой.