Оценка влияния уровней несимметрии и высших гармоник на ток в нулевом рабочем проводнике сети 0,38 кВ

Введение. Проблемой перегрузки нулевого рабочего провода трехфазной четырехпроводной сети занимаются ученые не только в России [1–7], но и за рубежом [8–11].

Среди основных причин токовой перегрузки нулевого рабочего провода трехфазной четырехпроводной сети можно назвать токи нулевой последовательности и токи высших нечетных гармоник [2, 4, 5, 7]. Эти токи, протекая по линейным проводам четырехпроводной сети и суммируясь в нулевом рабочем проводе, вызывают ряд отрицательных эффектов таких как: дополнительные потери напряжения и электроэнергии [1, 3, 5] в элементах самой сети; нагрев изоляции и сокращение срока службы кабельных линий; ухудшение показателей качества напряжения в точках передачи электроэнергии; рост сопротивления заземляющих устройств электроустановок; помехи в слаботочных линиях связи.

Методика исследований. В работе выполнены исследования закономерностей токовой перегрузки нулевого рабочего провода сети 0,38 кВ при помощи сертифицированных измерительных приборов «РЕСУРС-UF2(М)» и «HIOKI 3196». В качестве места подключения измерительных приборов выбрано вводнораспределительное устройство, расположенное у потребителя (рисунок 1). Потребитель характеризуется большим количеством электроприёмников с нелинейными электромагнитными характеристиками (люминесцентные лампы, более 20 одновременно работающих компьютеров и принтеров, сканеры и другая оргтехника). Электроснабжение потребителя осуществлялось от шин 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ отдельной кабельной линией.

Рисунок 1 – Место подключения измерительных приборов к сети 0,38 кВ

Figure 1 – Place of connection of measuring devices to the 0,38 kV network

Результаты исследований и их обсуждение. Потребитель имел четкий двухступенчатый график потребления электроэнергии. Основная активная нагрузка потреблялась с 8:00 до 17:00 в соответствии с графиком рисунка 2. При этом коэффициент реактивной мощности (tgϕ) потребителей фазы А (условно) за сутки изменялся в диапазоне от 0,25 до 7,62, на фазе В от 0,33 до 3,37 и на фазе С соответ- ственно от 0,54 до 3,57. В вечернее и ночное время у потребителя работало дежурное и охранное освещение.

По данным измерений на вводе у потребителя для одной из реализаций, с наибольшим током в нулевой рабочей жиле кабельной линии (рисунок 3), получен спектральный состав гармоник, приведенный в таблице.

Время суток, ч

Time, h

Рисунок 2 – Суточный график изменения суммарной активной мощности

Figure 2 – Daily graph of changes in total active power

Анализ измерений свидетельствует (рисунок 3), что осциллограммы линейных токов ia(t), ib(t) и ic(t) в дневное время (с 8:00 до 17:00) далеки от синусоидальности. Более того, вместо ожидаемой прямой линии с нулевой амплитудой, осциллограмма тока в нулевой жиле кабельной линии iN(t) по величине соизмерима с токами в линейных проводниках, а по форме она еще более несинусоидальна с преобладанием частоты 150 Гц.

Исходя из табличных результатов, можно видеть, что в нулевой жиле кабельной линии токи третьей гармоники при максимальных нагрузках даже превосходят ток основной частоты, который обусловлен несимметрией нагрузок на вводе у потребителя.

Рисунок 3 – Листинг с графиком форм кривых токов в проводниках сети 0,38 кВ на вводе у потребителя для одной из реализаций

Figure 3 – Listing with a graph of the curves of currents in the conductors of the 0,38 kV network at the input of the consumer for one of the implementations

Кратности высших гармоник тока на вводе у потребителя

Multiplicity of higher harmonics of current at the input at the consumer

Номер гармоники Harmonic number	Кратность гармоник тока в проводниках сети 0,38 кВ по отношению к первой гармонике The multiplicity of harmonics of current in the conductors of the network 0,38 kV in relation to the first harmonic
	I(ν), % в линейном проводе А I(ν), % in line wire A	I(ν), % в линейном проводе В I(ν), % in line wire В	I(ν), % в линейном проводе С I(ν), % in line wire С	I(ν), % в нулевом рабочем проводе N I(ν), % in the neutral working wire N
ν=1	100,0	100,0	100,0	100,0
ν=3	20,6	10,0	29,2	101,5
ν=5	8,6	9,1	18,3	26,6
ν=7	1,2	6,4	6,1	9,0
ν=9	3,1	3,5	4,0	12,9
ν=11	3,9	0,7	3,8	5,8
ν=13	2,0	2,2	3,9	6,7
ν=15	0,8	1,9	2,5	3,8
ν=17	1,4	1,3	1,1	1,4
ν=19	1,4	1,0	0,9	4,4
ν=21	0,6	0,4	1,2	1,7
ν=23	1,9	6,7	2,5	1,8
ν=25	0,5	0,8	0,6	2,3

При этом кратности 3-их гармоник тока в линейных проводах не одинаковы: в первом проводе (А) – 20,6%, во втором (В) – 10% и третьем (С) – соответственно 29,2%.

Также следует отметить неравенство по фазам в сети 0,38 кВ на вводе у потребителя других гармоник тока более высокого порядка –

5-й, 7-й, 11-й и других, менее значимых (см. таблицу).

Результаты исследований изменений коэффициентов 3-их гармонических составляющих линейных токов Ki(3) и коэффициента несимметрии тока по нулевой последовательности K0i при наибольшем электропотреблении представлены на рисунке 4.

Время, ч

Time, ч

Рисунок 4 – Графики изменения коэффициентов несимметрии тока нулевой последовательности (Koi) и третьих гармонических составляющих токов в линейных проводниках (Kiа(3), Kib(3), Kic(3))

Figure 4 – Graphs of changes in the unbalance coefficients of the zero sequence current (Koi) and third harmonic components of currents in linear conductors (Kiа(3), Kib(3), Kic(3))

Анализируя полученные графики, следует отметить, что с 8:00 до 17:00 коэффициенты третьих гармонических составляющих токов в линейных проводниках Kiа(3) и Kic(3) по величине практически в течение всего времени превышают коэффициент несимметрии тока нулевой последовательности Koi. И только в линейном проводнике фазы В анализируемые коэффициенты соизмеримо изменяются.

Становится понятным, почему в нулевой жиле кабельной линии на вводе у потребителя доминирует третья гармоническая составляющая тока.

Выводы. На основании выполненных исследований установлены следующие закономерности, характерные для четырехпроводной электрической сети 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой:

– основную токовую нагрузку на нулевой рабочий провод в четырехпроводной электрической сети создают токи нулевой последовательности основной частоты и токи высших нечетных гармоник кратные трем;

– при соизмеримости токовой нагрузки нулевого проводника с токовой нагрузкой линейных проводников сети доминирующей частотой тока в нулевом проводе оказывается частота 150 Гц;

– в линейных проводниках четырехпроводной электрической сети коэффициенты третьих гармонических составляющих токов оказываются больше по величине коэффициента несимметрии тока нулевой последовательности основной частоты.