Результаты исследования нагрузочного режима работы нулевого рабочего провода сети 0,38 кВ

Введение. В сельских и городских электрических сетях напряжением 0,38 кВ исторически распространены силовой трансформатор со схемой соединения обмоток «звезда/звезда с нулем» и трехфазные четырехпроводные линии. На сегодня в России эксплуатируется более 800 тыс. силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ, а парк линий напряжением 0,38 кВ (включая кабельные) составляет 1 млн 300 тыс. км. Такое построение системы электроснабжения потребителей приводит к протеканию тока в нулевом рабочем проводе сети 0,38 кВ, которое изменяется в течение суток от минимального до максимального значения. Токовая нагрузка нулевого рабочего провода является одной из основных причин дополнительных потерь электроэнергии (мощности) как в самих линиях, так и силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ, от которого они отходят. Судя по количеству публикаций в послед нее время, вопросы энергосбережения при передаче электроэнергии остаются актуальными, как в России [1-9], так и за рубежом [10,11].

Знания об изменениях токовой нагрузки в нулевом рабочем проводе сети, её амплитудно-фазочастотных характеристиках необходимы при разработке энергосберегающих технологий и эффективных технических средств, снижающих потери электроэнергии.

Методика исследования. С этой целью в сети 0,38 кВ с преобладающей коммунально-бытовой нагрузкой были проведены экспериментальные исследования. Измерения выполняли в августе на вводе 0,4 кВ трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ с установленной мощностью 400 кВА сертифицированным прибором Hioki 3196. Погрешности измерений у прибора

Hioki 3196 по току и мощности составляли ±0,2%, по форме тока ±0,5%.

В течение суток полная мощность силового трансформатора имела минимальный коэффициент загрузки около 0,1, максимальный - 0,21.

Как видно из графика рисунка 1, наибольшая нагрузка отмечена в период с 15 до 17:30 и с 22 до 22:40 часов, что объясняется активным подключением к сети систем кондиционирования в это время года. Минимум нагрузки отмечен утром с 6 до 8 часов.

Вр еляя су т о к, ч

Рисунок 1 - График изменения полной мощности на вводе 0,4 кВ силового трансформатора

Изменения действительного коэффициента мощности нагрузки силового трансформатора с учетом гармонических искажений приведены на рисунке 2.

Как следует из рисунка 2, действительный коэффициент мощности нагрузки изменялся в диапазоне значений от 0,82 до почти 0,94, при этом он достигал наибольших значений с увеличением нагрузки, а наименьших значений - при снижении нагрузки. Указанный коэффициент совпадает с коэффициентом мощности первой гармоники при отсутствии высших гармонических составляющих в линейных токах.

11:16:00 13:46:00 16:16:00 18:46:00 21:16:00 23:46:00 02:16:00 04:46:00 07:16:00 09:46:00 12:16:00

Время су т о к, ч

Рисунок 2 - Г рафик изменения действительного коэффициента мощности на вводе 0,4 кВ силового трансформатора

Результаты исследований и их обсуждение. Исследование показало, что в линейных токах на вводе 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ в течение суток диапазон изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока колебался от 7% до 22%. При этом пиковые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока в линейных проводах не совпадали во времени, хотя чаще возникали при наибольшей загрузке силового трансформатора, а меньшие значения отмечены в ночное время суток, когда нагрузка снижалась.

В режиме наибольшей загрузки силового трансформатора линейные токи изменялись по следующим законам:

+ 3,32 sin(2

+ 11,58 sin(3

+ 2,52 sin(4

+ 8,80 sin(5

+ 1,40 sin(6

+ 5,24sin(7ti)t + 118°) +

+ 3,0sin(9a>t - 80°) +

+0,60 sin(10

+l,34sin(ll

+0,82 sin(12wt + 93°) +

+0,68 sin(13wt + 154®) + +O,49sin(14tot-74°)]A;

i_L2 = V2 • [125,88 sinfwt - 153°) +

+ 7,83 sin(3

+13,09 sin(56Jt + 85°) +

+ 3,73 sin(6

+ 5,73 sin(7

+ 3,35 sin(8

+ 2,55 sin(9wt + 153°) +

+1,18 sin(10wt + 159®) + +l,68sin(llcot — 57°) + +2,10 sin(12

+2,47sin(13(Ut-28°) +

+1,31 sin(14eot + 85°)]A;

i_L3 = V2 • [122,46 sin(

+ 1,05 sin(6tot + 23°) + + 4,06 sin(7wt- 140®) + + 0,71 sin(8wt-137®) + + 0,97 sin(9wt- 110®) + +0,25sin(10

Как было обнаружено, в линейных токах среди наиболее значимых высших гармонических составляющих наибольшее значение имели нечетные гармоники тока. Однако во втором проводе сети оказалась значительной вторая гармоническая составляющая тока. При геометрическом суммировании линейных токов в рабочем нулевом проводе более значимыми оказались гармонические токи, кратные трем: i_N = V2 • [14,52 sinfat - 26°) + + 1,12 sin(2tot — 115®) + + 5,37 sin(3

Контроль нулевого рабочего тока сети производился путем охвата алюминиевой шины ввода 0,4 кВ, идущей от силового трансформатора к РУ 0,4 кВ. Суточные характерные изменения тока в нулевом рабочем проводе сети 0,38 кВ изображены на рисунке 3.

24,0 е J22 A

28,9 е І27°А

Рисунок 3 - Характерные изменения тока в нулевом рабочем проводе сети 0,38 кВ в течение суток

На рисунке 3 кроме модулей и фаз тока в нулевом рабочем проводе показаны промежутки времени, для которых зарегистрированы указанные значения. Согласно рисунку 3 ток в нулевом рабочем проводе увеличивается в вечернее время и снижается в ночные часы, при этом отмечается незначительное изменение фазы измеренного тока.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока в нулевом рабочем проводе на вводе

0,4 кВ силового трансформатора в зависимости от его загрузки изменялся, как изображено на рисунке 4. При исследовании коэффициент искажения синусоидальности кривой тока в нулевом рабочем проводе наибольшее значение 180% имел в вечернее время (18:46), наименьшее (около 12%) зарегистрировано в ночной период при сбросе нагрузки (рисунок 4).

Время су т ок,ч

Рисунок 4 - Г рафик изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока в нулевом рабочем проводе на вводе 0,4 кВ силового трансформатора

Анализ составляющих токов частотой 150 Гц в линейных проводах (шинах) показывает, что на вводе 0,4 кВ силового трансформатора отсутствует равенство между этими высшими гармоническими составляющими и синфазность. Объясняется это тем, что генераторы источников тока частотой 150 Гц находятся в узлах нагрузки, где имеет место различный состав нелинейных электроприемников, разновременность их включения при разных уровнях напряжения на вводе потребителей.

Обнаруженные особенности следует учитывать при разработке технических средств для подавления токов частотой 150 Гц в нулевом рабочем проводе сети [12-14]. Для различных моментов времени были взяты модули токов третьих гармоник и их фазы в линейных проводах, а затем произведено сравнение их учета в нулевом проводе сети. Суммарный арифметический ток определен через среднее значение простым умножением на три, а суммарный геометрический ток рассчитан путем геометрического суммирования векторов третьих гармонических составляющих токов линейных про водов 1^ = 1^ +1^ + i^. Результаты вычислений по данным измерений и сравнения сведены в таблицу.

Для лучшей визуализации на векторной диаграмме рисунка 5 изображены для одного из моментов времени векторы токов третьих гармоник на вводе силового трансформатора. На векторной диаграмме рисунка 5 показаны: векторы токов третьих гармоник в линейных проводах на вводе 0,4 кВ силового трансформатора - i™, i^. 1®- вектор тока третьей гармоники в нулевом рабочем проводе - /®_; суммарный вектор тока частотой 150 Гц, протекающий через нейтраль силового трансформатора - /®; вектор тока третьей гармоники, протекающий через заземляющий контур подстанции - і^\

В ходе исследований обнаружено, что часть тока нейтрали силового трансформатора замыкается помимо нулевого рабочего проводника сети 0,38 кВ через заземляющее устройство (PE-проводник) подстанции, повторные заземления нулевого провода на линии и сопротивления изоляции узлов нагрузки.

Оценка погрешности в определении суммарного тока третьей гармоники в нулевом проводе

Рисунок 5 - Векторная диаграмма токов третьих гармоник на вводе 0,4 кВ силового трансформатора

Выводы. По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• -    с увеличением тока в нулевом рабочем проводе, помимо роста дополнительных потерь электроэнергии, возрастает разность потенциалов между нулевой точкой силового трансформатора и нулевыми точками электропотребителей из-за падения напряжения;

• -    среди токов высших гармоник в рабочем нулевом проводе сельских и городских сетей наиболее значима третья гармоническая составляющая;

• -    на частоте 150 Гц погрешность между арифметической и геометрической суммой линейных токов увеличивается с ростом нагрузки.