Технологические предпосылки оценки несбалансированных режимов работы в компонентах низковольтных систем электроснабжения и способы минимизаций последствий этих режимов

Цитирование: Наумов И. В. Технологические предпосылки оценки несбалансированных режимов работы в компонентах низковольтных систем электроснабжения и способы минимизаций последствий этих режимов / И. В. Наумов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2024, 17(6). С. 777–800. EDN: XDDKIJ потребители промышленности (цеховые электрические сети) и агропромышленного комплекса. Следует иметь в виду, что в большинстве технологических процессов производства товарной продукции и обеспечения жизнедеятельности именно на напряжении 0,4 кВ осуществляется преобразование энергии электрической в ее другие виды, обеспечивая при этом цели и задачи электропотребления. И еще очень важной характеристикой этих ЭС является их многоампер-ность, в силу которой любые функциональные отступления от нормальных условий работы влекут за собой существенные последствия.

Под снижением функциональности рассматриваемых ЭС следует понимать процессы, происходящие в этих сетях в результате измененных режимов работы, вызванных в первую очередь несбалансированностью электропотребления. Безусловно, есть и другие отличительные особенности этих сетей, такие как низкая оснащенность средствами управления, по сравнению с ЭС средних и высокого напряжений, а также существенный износ элементов этих сетей и основного сетевого электрооборудования.

В данном исследовании подробно будут рассматриваться именно несбалансированные режимы работы ЭС 0,4 кВ. Так что же такое несбалансированность режима работы сети и чем она вызывается?

Под понятием несбалансированности (unbalancing) следует понимать режим работы электрической сети, при котором электропотребление, в силу измененных режимов работы различных электроприемников, является источником генерации дополнительных симметричных составляющих (ДСС) токов и напряжений. Эти составляющие обусловлены несимметричными и несинусоидальными режимами работы.

Несимметричные режимы характеризуются тремя видами несимметрии токов: статистической , обусловленной неравномерностью распределения однофазных электроприемников (ЭП) в трёхфазной системе; вероятностной , обусловленной случайным характером коммутаций этих электроприемников в течение времени суток, а также аварийной несимметрией токов, образующейся в результате аварийных режимов, приводящих к неполнофазным режимам работы (однофазные и двухфазные – при обрыве одной или двух фаз). Исследованиям несимметричных режимов посвящено достаточно много работ [1–11]. В результате возникновения несимметричного тока он, протекая по элементам в ЭС, создает на каждом из них несимметричную систему напряжений. В результате в сети возникают системы симметричных составляющих токов и напряжений, в соответствии с методом симметричных составляющих Ч. Фортескью [12]:

где I ₁ и U ₁ – комплексные значения тока и напряжения прямой последовательности основной частоты; I 2 , I 0 , U 2 и U 0 – комплексные значения токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей основной частоты напряжения электропитания; α – комплексный оператор поворота, равный e>¹²⁰ .

Вместе с тем, как уже было отмечено выше, несбалансированность режима работы исследуемых ЭС, кроме несимметрии токов и напряжений, дополняется последствием несину-– 779 – соидальности токов и напряжений, возникающей в этих сетях вследствие работы электрооборудования и ЭП, имеющих нелинейную вольтамперную характеристику. Практически во всех областях хозяйственной деятельности (промышленность, военно-промышленный и агропромышленный комплексы, добывающая промышленность, транспорт и пр.) используются новейшие полупроводниковые приборы (ПП), которые являются основными элементами силовой электроники, выполняющей роль ключевых элементов при управлении усреднёнными потоками мгновенной мощности, осуществляя при этом пропускание или блокирование потоков электроэнергии в нужном направлении [14]. К таким управляемым ПП можно отнести всевозможные транзисторы, тиристоры, симисторы, полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), частотно-регулируемый привод (VSD) для управления асинхронными двигателями и др. Кроме того, элементная база современных электроприемников, используемых в целях жизнеобеспечения населения, также связана с использованием твёрдотельных ключевых приборов в виде различных интеллектуальных модулей и интегральных схем, выпрямителей, используемых в бытовых электронных приборах (телевизоры, ПК, зарядные устройства [15, 16]. И более того, современное направление в электроэнергетике также связано с созданием интеллектуальных сетей, представляющих собой модернизированную электрическую сеть, использующую информационно-коммуникационные технологии для осуществления автоматизированного сбора информации, ее обработки и принятия оперативных решений с целью повышения эффективности, надёжности, экономичности и устойчивости процессов производства, преобразования, распределения, транспорта и потребления электрической энергии [16]. При этом, вне всякого сомнения, эволюция силового оборудования определяется уровнем его востребованности в указанных процессах и, безусловно, конструирование новых современных устройств будет совершенствоваться и продолжаться.

Но при этом функционирование ПП характеризуется появлением (эмиссией) дополнительных симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей различных совокупностей высших гармонических составляющих (ВГС) токов, которые создают аналогичные эмиссионные потоки напряжений. К примеру, дополнительная прямая последовательность (APS – additional positive sequence) обусловлена эмиссией совокупностей токов: I4 , I₇ , I₁₁ , I₁₄ …, дополнительная обратная (ANS – additional negative sequence) – I₂ , I₅ , I₈ , I₁₁ …и дополнительная нулевая (AZS - additional zero sequence) - I3 , I6 , I9 , I12 ^ 1 . При этом стандарты [17-21] рекомендуют учитывать до 40-й гармоники включительно.

Проведенными исследованиями установлено, что множество используемых преобразователей (П), состоящих из средств твердотельной электроники (СТЭ), характеризуются так называемой пульсностью – то есть отношением частоты пульсаций к частоте питающего переменного напряжения, связанной с количеством СТЭ в трёхфазной системе. Например, для двухпульсного (однофазного П) характерна следующая совокупность высших гармонических составляющих ВГС: 3,5,7,9,11,13…, для трёхпульсного трёхфазного – 2,4,5,7,8,10…, шести-пульсного – 5,7,11,1,17,19…, двенадцатипульсного – 11,13,23,25… [22–26].

Следовательно, объективно режимы работы действующих электрических сетей 0,4 кВ необходимо рассматривать в совокупности несимметричного и несинусоидального режимов, которые образуют так называемый несбалансированный режим работы (НРР) этих сетей.

• ¹    Нижний индекс соответствует порядку гармонической составляющей

Таким образом, целью статьи является исследование несбалансированных режимов работы действующих ЭС, и для достижения указанной цели формируется ряд задач , а именно: разработка научно-методологических основ расчетов НРР; разработка технических средств минимизаций последствий НРР; разработка программного комплекса как инструментария расчетов НРР; апробация полученных результатов посредством имитационного моделирования интеграции разработанных технических средств в действующей ЭС 0,4 кВ.

Методы, модели, инструменты

Методы. Поскольку реальные режимы работы действующих ЭС напряжением 0,4 кВ, как уже было сказано, объективно характеризуются и несимметричным, и несинусоидальным характером электропотребления, образующим общий несбалансированный режим электропотребления, соответственно, фазные токи и напряжения, определяемые по выражениям (1), преобразуются в следующие:

( La ⁼ D^Li + £4° Lips)' (/2 + Si⁸ Lins), (/о + Si⁹ Zazs) } J

LLb- 3(L + £4° Lips) + а(Ь + EfW) + Qo + 13⁹ Lazs)’ (2) Qc ⁼ n(/i + £4° Laps) + ^(.Lz + 13⁸ Lans) + (/о + Щ⁴ Lazs)>

( LLa= Е{Й+Й⁰М& + Й⁸МО!о + ЕГ^) };

Исследованиям несинусоидальных режимов посвящено также достаточное количество публикаций [27–31]. Кроме того, имеется ряд публикаций, посвященных исследованиям именно объединенных несбалансированных режимов [32–35].

Все эти работы посвящены исследованиям показателей качества электрической энергии, которые изменяются при несимметрично-несинусоидальных воздействиях. При этом не толь- ко ухудшается качество, но и возрастают дополнительные потери мощности и ЭЭ.

В соответствии с [17] в качестве критериев оценки качества ЭЭ только при несимметрич- ном режиме работы трёхфазной ЭС рассматриваются следующие показатели:

k-

^■100%;

LLounec. ⁼     100 %;

su^ =

Wo

■ 100; SU_W =

(,^m(+)    ^h)

Ун

■ 100,

где K _{2 U нес.} и K _{0 U нес.} – коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям основной частоты напряжения электропитания соответственно; δ U (–) , δ U (+) – соответственно отрицательное и положительное отклонения напряжения; U_m ( _– ) , U_m ( ₊ ) – значения напряжения электропитания, меньшие U н и большие U н соответственно, усредненные в интервале времени 10 мин в соответствии с требованиями [17]; U _н – напряжение, равное стандартному номинальному напряжению Unom. или согласованному напряжению Uc. .

В условиях несимметрично-несинусоидального (несбалансированного режима работы – НРР) ЭС показатели K 2 u и K 0 u будут определяться уже с учетом дополнительных совокупностей ВГС напряжений:

^zlthpp — у        100 %; ^ouhpp — у        юо %. (5)

Кроме того, для оценки уровня гармонического состава напряжения электропитания в НРР вводится коэффициент несинусоидальности:

К<ип) = 7^'100 %, где U(n) – напряжение гармонической составляющей до 40-го порядка (в соответствии с [17]).

Вместе с тем, как было сказано выше, симметричные составляющие токов основной частоты и дополнительные симметричные составляющие токов ВГС создают соответствующие потери активной мощности и ЭЭ. При этом определяющим критерием оценки этих потерь в линии электропередачи, отходящей от шин 0,4 кВ трансформаторной подстанции (ТП) и питающей трёхфазную несимметричную нагрузку потребителей только при несимметричном режиме, является коэффициент увеличения потерь мощности, представляющий собой отношение потерь активной мощности в несимметричном режиме к соответствующим потерям мощности, обусловленным протеканием только токов прямой последовательности основной частоты напряжения электропитания [36]):

Ирл.(нес.) - 1 + K^i + Kqi ■ K_Rn .                                              (6)

Во вторичной обмотке силового трансформатора (СТ) ТП также создаются дополнительные потери, которые можно оценить коэффициентом дополнительных потерь:

^РСТ(нес.) = 1 + ^K2i + ^KOi ■ ^ЯСТ.<                                          (7)

где ^«л. — °^Л/г – коэффициент активного сопротивления ЛЭП; r1 = rФ – активное сопротивление прямой последовательности, равное фазному сопротивлению линии электропередачи; r0 = rФ.+3rN – активное сопротивление нулевой последовательности ЛЭП; rN – активное сопротивление нейтрального проводника. Также сопротивления r _0Л. И r _1Л. могут быть определены по справочным данным для конкретного сечения ЛЭП. При одинаковых сечениях фазного и нулевого проводников их активные сопротивления будут равны. Соответственно, и коэффициент KR в этом случае будет равен 4; UrCT. — ^0CT/r – коэффициент активного сопротивления СТ ; r _{0 CT} и r _{1 CT} активные сопротивления, соответственно нулевой и прямой последовательностей СТ, определяемые на основании данных справочной литературы для любого СТ.

• I₂ Io

«2^Т’ K0i=-T– коэффициенты, обусловленные протеканием токов обратной и нулевой последовательностей основной частоты, определяемые в соответствии с [36].

С учетом того, что мы рассматриваем объединенный НРР ЭС, выражение (6) для линии будет выглядеть следующим образом:

Для силового трансформатора:

^PCT.(HPP)

где коэффициенты Ш° ^APS — 4 Г4 , IL?8 ^ANS ~ 2 , и Щ9 Kazs — 3 , – суммарные ' h коэффициенты, представляющие собой отношение сумм гармонических составляющих, формирующих дополнительные прямую, обратную и нулевую последовательности, к гармонической составляющей тока прямой последовательности основной частоты.

Выражения для определения значений симметричных составляющих токов и напряжений при несимметричном режиме с достаточной степенью достоверности могут быть определены в соответствии с модульным методом расчета, предложенным профессором Ф. Д. Ко-соуховым [13]:

'i = (^) ■ (I³ ■ 'I - ^;Л ■ (^d + ^ ■ 5) + ² ■ ^ ■ d + г [^3 ■ ^;i - 'r (V3 ■ d - e) - 2 ■ ^ ■ h]}; I₂ ⁼ (бУ (I³ ' ^ " 4 ■ (V3 ■ e - d) - 2 ■ V3 ■ ₀] - J ■ [V3 ■ /| - /_r (V3 ■ d + e) - 2 ■ V3 ■ h]};

U₂ = ^{[2^-V3-(s + r) - (p +5)] + Д0 - r) - V3 ■ (p - g)]}; I_o = ^-{d-j-e);

Уо = ^[U_A + (p + в) ~ j(s ~ г)].

e = ^n ~ c Я = bi ■ Ci + b7 ■ сл h — Ьл ■ b7 — сл ■ c-

>;s- Jul — p r = Jul — g² s = Ju^ — p² p — — + — - — ; g — — + — - — N C            N В P P _{2 2(Ji} 2U L V 2 2Un 2L

Значения фазных токов, фазных и междуфазных напряжений в реальной действующей электрической сети можно определить, используя сертифицированные измерительные комплексы, такие как Ресурс – UF2М, либо анализатор качества электрической энергии PQ-701 (рис. 1). Эти же приборные комплексы позволяют произвести измерение ВГС токов и напряжений для определения показателей, вычисляемых по выражениям (2) – (3) и (8) – (9).

Таким образом, используя описанную методологию, можно оценивать реальные несбалансированные режимы работы в действующих электрических сетях 0,4 кВ. Задачей подобных исследований является не только констатация измененных параметров ЭЭ в таких режимах, которые, безусловно, ухудшают качество ЭЭ в едином электромагнитном пространстве электрической сети и увеличивают ее потери. Вследствие этого возникает необходимость разработки специализированных балансирующих устройств (БУ), которые могли бы минимизировать последствия НРР, повышая эффективность использования ЭЭ. При этом необходимы и методы, и программные средства, обеспечивающие расчеты параметров и самих БУ, а также – 783 –

Рис. 1. Приборы для измерения параметров и показателей качества электрической энергии: Ресурс-UF2M

(а) и его подключение к сети (б); прибор PQ-701 (в) и его подключение к сети (г) и (д)

Fig. 1. Devices for measuring parameters and power quality indicators: Resource-UF2M (a) and its connection to the network (b); device PQ-701 (c) and its connection to the network (d) and (e)

параметров и показателей НРР с учетом интеграции этих БУ непосредственно в исследуемую электрическую сеть.

Кафедрами электроснабжения и электротехники Иркутского ГАУ и Иркутского НИТУ в течение многих лет проводится значительная исследовательская работа в этой области. По результатам исследований, на основе обширных патентных поисков в разные временные периоды получены патенты на изобретения для различных симметрирующих устройств, минимизирующих последствия только несимметричных режимов (без учета эмиссии ВГС) [37–41]. Отличительной особенностью всех этих технических средств является тот факт, что симметрирующие устройства либо имеют регулируемую мощность, которая ступенчато увеличивается или уменьшается при изменении мощности трёхфазной несимметричной нагрузки [37–39], либо параметры этих устройств автоматически плавно изменяются в соответствии с изменяющимся уровнем несимметричного электропотребления [40, 41]:

где Y _{1 СУ нес.}, Y _{2СУ нес.} и Y _{0СУ нес.} – соответственно комплексные значения проводимостей прямой (обратной) и нулевой последовательностей симметрирующего устройства; + у- – соответственно начальный и конечный интервалы времени фиксации параметров ЭЭ при измерениях в действующих электрических сетях.

Для объединенных несбалансированных режимов выражение (11) будет преобразовано за счет добавки суммарных значений дополнительных симметричных составляющих ВГС токов и напряжений:

14,1428 ■ ft - to) ло fe + If ftPS}(t) ’

14,1428 ■ ft - t0) ' {ft + Й8 ft„s}(t) '

(tl {Zo + Li5Zzs}(0 Ао Шо + ZFZizslC4)

где Y 1БУНРР , Y 2БУНРР и Y 0БУНРР – комплексные значения проводимостей универсального балансирующего устройства (БУ) соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Модели и средства . Примером такого балансирующего устройства может служить техническое средство, описанное в [42]. Вместе с тем данное БУ требует перебора и ручного подключения различного количества узкополосных резонансных фильтров (УРФ) в зависимости от состава дополнительных ВГС соответствующих последовательностей. В настоящее время в Патентном бюро РФ находится на рассмотрении заявка на изобретение усовершенствованной версии автоматического БУ, схема которого представлена на рис. 2.

Отличительной особенностью предлагаемой модели БУ является возможность полностью автоматизированной работы устройства, изменяющего свои параметры в функции изменяю-

Рис. 2. Конструкция балансирующего устройства и его подключение к низковольтной электрической сети: 1 – подвижный сердечник ЭМУ; 2 – неподвижный сердечник ЭМУ; 3 – обмотка ЭМУ; 4 – пружины ЭМУ; 5 – корпус ЭМУ; 6 – Корпуса PПФТПП и РПФТОП; 7 – обмотки PПФТПП и РПФТОП; 8 – регулируемые сердечники PПФТПП и РПФТОП; 9 – пружины PПФТПП и РПФТОП; 10 – блоки УКРМ; С1, С2 – ёмкости PПФТПП и РПФТОП; L – дроссель; ТА – трансформаторы тока; КМ – контакторы блоков УКРМ; R – резистор; ФТПОП – схемное решение фильтра токов прямой-обратной последовательностей

Fig. 2. The design of the balancing device and its connection to a low–voltage electrical network: 1 – movable EMD core; 2 – fixed EMD core; 3 – EMD winding; 4 – EMD springs; 5 – EMU housing; 6 – RPFCPS and RPF-CNS enclosures; 7 – RPFTPP and RPFTOP windings; 8 – adjustable RPFCPS cores and RPFTNS; 9 – RPFCPS and RPFTOP springs; 10 – UKRM blocks; C1, C2 – RPFTPP and RPFTOP capacitances; L – choke; TA – current transformers; KM – contactors of DCRP blocks; R – resistor; FTPNS – circuit solution of the positive-ntgative sequence current filter щихся значений симметричных составляющих (СС) токов и напряжений основной частоты электропитания, а также СС токов и напряжений, обусловленных эмиссией ВГС.

Общий принцип действия предлагаемого БУ по многим позициям аналогичен принципу действия устройства, описанному в [43]. В комплект БУ входят следующие элементы (рис. 2). ЭМУ – электромагнитное устройство, имеющее минимальное сопротивление токам нулевой последовательности, автоматически, за счет подвижных сердечников, в каждый момент времени создает колебательный контур для всех токов нулевой последовательности, обусловленными как основной частотой, так и ВГС, кратным трём. Представленная схема соединения дросселя L и чисто активного сопротивления R образует комбинацию фильтров токов прямой (ФТПП) и обратной (ФТОП) последовательностей, к зажимам которых присоединены регулируемые полосные фильтры токов прямой (РПФТПП) и обратной (РПФТОП) последовательностей, создающих колебательные контуры для совокупностей дополнительных симметричных составляющих токов соответственно прямой ( I₄ , I₇ , I₁₁ , I₁₄ …) и обратной ( I₂ , I₅ , I₈ , I₁₁ …) последовательностей. При этом сама схема соединения дросселя и чисто активного сопротивления и их расчет подробно рассмотрены в [44]. В этой схеме параметры дросселя ( L ), имеющего активное сопротивление r и индуктивное – x , определяются как [44]:

г = 0,5 ■ (R — 7_Рф); х = 0,5 ■ (Я + Z_M) ■ л/З, (13)

где Z _РФ – полное сопротивление, каждого из регулируемых полостных фильтров прямой и обратной последовательностей, которое, за счёт изменения положения подвижных сердечников в каждый момент времени настраивается в резонанс: x_{L РФ} = x_{C РФ}, соответственно, как для РПФТПП, так и для РПФТОП. В результате в каждом из регулируемых полосных фильтров прямой и обратной последовательностей создаются колебательные контуры для дополнительных совокупностей токов прямой и обратной последовательностей.

Индуктивное сопротивление ( L ) схемы целесообразнее всего выполнять в виде дросселя с воздушным зазором. Чисто активное сопротивление ( R ) изготавливается из константановой или реотановой проволоки диаметром 1,5–2 мм в виде спирали. Более подробно расчет L и R представлен в [44].

Таким образом, задача ЭМУ, РПФТПП и РПФТОП заключается в том, чтобы, создавая колебательные контуры для всех дополнительных совокупностей токов, соответственно, нулевой, прямой и обратной последовательностей, осуществлять их вычленение из низковольтной электрической сети, тем самым минимизируя последствия НРР.

Еще одним составляющим элементом описываемого балансирующего устройства (БУ) является комплект батарей конденсаторов (БК), образующих регулируемое устройство компенсации реактивной мощности (РУКРМ – рис. 2, 10). Изменение мощности батарей конденсаторов происходит ступенчато в функции расчётного коэффициента реактивной мощности ( tgφ ). Рассматривается 4 ступени мощности БК, соответствующие следующим пределам изменяемого tgφ : 1-я – (0,4–0,6); 2-я – (0,61–0,8); 3-я – (0,81–1,0) и 4-я – более 1,1. Включение данных ступеней мощности регулируется контроллером, передающим сигналы соответствующим обмоткам пускателей (КМ).

В соответствии с изменяемыми пределами коэффициента реактивной мощности мощность БК рассчитывается выражением:

Qbk = p- (tgp - o,35)

Q где tg

При использовании БУ как средства минимизации последствий НРР симметричные составляющие токов и напряжений определяются на основе решения системы уравнений, составленной для схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей электрической сети, к которой может подключаться предлагаемое БУ [15]:

где Y _э1 = Y _сети1 + ( Y _{S 1} + Y _1БУНРР) и Y _э0 = Y _сети0 + Y _0БУНРР – соответственно комплексные значения эквивалентных проводимостей, включающие в себя комплексные проводимости прямой обратной и нулевой последовательностей элементов электрической сети (линии высокого и низкого напряжений, силовой трансформатор 10/0,4 кВ); Y S – комплексная проводимость прямой

Ьети1 "ном.

последовательности трёхфазной симметричной нагрузки; Кэ1 —            – комплексное значение эквивалентного напряжения схемы замещения прямой последовательности; n – коэффициент трансформации СТ 10/0,4 кВ; m1, m2 и m3 – комплексные коэффициенты, определяемые в соответствии с [45].

В результате произведенных преобразований получены выражения для определения симметричных составляющих токов в линии и напряжений на зажимах нагрузки (16, 17):

Комплексные коэффициенты, входящие в выражения (16) и (17), определяются в соответствии с [45].

На основании полученных выражений (16) и (17) возможно определить исследуемые показатели (5), (8), (9). При этом, если обнулить параметры БУ, можно определить исследуемые показатели как при отсутствии БУ в действующей электрической сети, так и при его включении в эту сеть.

Кроме того, представляется возможным определение потерь электрической энергии (мощности) в элементах электрической сети при отсутствии БУ по выражениям:

&Ррт ⁼ ^PsT(iai^ + ^P cop. (wind.) ’ P²)                                    (18)

^Qpt = ^QsT.(mag.) + ^Qdisp. ‘ ^2< где ^PsT(idl.) и ^PcOP.(wind.) – активные потери в силовом трансформаторе в стали и обмотках соответственно; ^QsT.(mag.) - ^^^}^       – реактивные потери намагничивания сердечника трансформатора;                      – рассеивание потерь реактивной мощ- ности трансформатора при номинальной нагрузке.

При интеграции БУ в электрическую сеть значения показателей (18) будут определяться по выражениям:

^Рбуь — АРбурт — r ^PL.(HPP) (19) Kpct.(hpp) ^РСТ(БУНРР); AQsyPT = AQpt ^P.CT(HPP) ■ ^Р(БУНРР)’ где KPLБУHPP, KPCTБУHPP – значения коэффициентов потерь, определяемых по выражениям (8) и (9), но при включении БУ в сеть, в этом случае изменяются значения показателей K2i и K0i, входящие в эти выражения.

Таким образом, появляется возможность расчета исследуемых величин как при отсутствии, так и при включении БУ в сеть.

Аналогично можно рассчитать и потери активной мощности в ЛЭП при отключении батареи конденсаторов БУ и при ее автоматическом включении, в зависимости от величины tgφ .

При выключенном компенсирующем устройстве:

DP           — 1 - r ■ I2

При включении БК:

В выражениях (20) и (21):

7 (Pa+^pb+^pc)²+(Qa+Qb+Qc)2   j _ ^^а^в^сУ+(Оа+О^^

– токи в ЛЭП

и ^comp. ^з-ипот.                                уэипот до и после подключения батареи конденсаторов.

При этом Qku = (PA + PB + Pcy-[(^^^

мощность компенсирующего

устройства (батареи конденсаторов), определяемая в каждый момент исследуемых временных интервалов.

Инструменты

В качестве инструментария расчета несбалансированных режимов предлагается использовать программный комплекс «Unbalance – 3», в котором реализуется описанный в п. 2.2 алгоритм [46].

Программное обеспечение «Unbalance-3» создано на основе объектно-ориентированного языка программирования «C Sharp» (C#). Этот язык программирования разработан в качестве прикладного уровня для CLR (CLR – Common Language Runtime – исполняющая среда для байткода CIL (MSIL), в который компилируются программы, написанные на.NET-совместимых языках программирования. CLR – один из основных компонентов пакета Microsoft). Опыт программирования на этом языке уже есть, примером могут служить программный комплекс (ПК) [47], с помощью которого можно осуществлять моделирование и расчет любых ситуаций с изменяющимся уровнем несимметричного электропотребления, а также программа «Unbalance-Modul» [48], позволяющая проводить расчёты несимметричных режимов в действующих электрических сетях также при отсутствии и включении в исследуемой сети средств симметрирования.

Архитектура ПК «Unbalance-3» позволяет осуществлять ориентированное управление тремя составными классами (рис. 3):

• 1    класс – ввод параметров силового трансформатора (СТ): ток холостого хода, напряжение короткого замыкания, мощность холостого хода, номинальная мощность СТ, мощность короткого замыкания, комплексный коэффициент трансформации, полные комплексные сопротивления прямой (обратной) и нулевой последовательностей СТ. В этом же классе проводится ввод полных комплексных сопротивлений прямой (обратной) последовательностей линии высокого напряжения (10 кВ), по которой питание подаётся на обмотку высшего напряжения СТ.

• 2    класс – ввод параметров линии низкого напряжения (0,4 кВ): длина, км; удельные активное и индуктивное сопротивления фазного и нулевого проводников, Ом/км; полные комплексные сопротивления прямой (обратной) и нулевой последовательностей.

• 3    класс – ввод основных параметров, полученных предварительно при измерении сертифицированным прибором: фазные и междуфазные напряжения, фазные токи, десятиминутные временные интервалы, значения активной мощности трёхфазной симметричной нагрузки (двигательная нагрузка), значения коэффициентов гармонических составляющих токов и напряжений для каждой из трёх фаз (до 40-й гармоники включительно), а также углы фазового

* Unbalance 3 (Программа расчета несбалансированных режимов)

Language О программе Параметры трансформатора заданы корректно

Параметры линии заданы корректно

Graph Language Графики на Русском

I | Графики на Английском

О Графики без заголовков

Открыть Файл с замерами

Расчет екоплеек числах

Выгрузть в Excel

Открыть Файл с гармониками.

Расчет с гармониками

Выгрузть в Excel

Параметры Графики Гармоники

Параметры трансформатора
	Открыть Файл ..	Создать новые параметры
	Сохранить в Файл		Использовать значения ниже	1
10	|0.80000	____________________I	Sh	1630000.00000 I
Ukz	[4.50000		Pkz	7600.00000
Рхх	1160.00000
	xtReal)	у (Image)	M	Angle (degrees)
	25.00000	| 0.00000	| 125.00000	0.00000
а	х (Real)	у (Image)	M	Angle (degrees)
	10.03150	| 10.06470	| 10.07196	[64.04029
ао	х (Real)	у (Image)	M	Angle (degrees)
	10.25300	| 0.58180	| 10.63443	66.49783
Zv	x (Real)	у (Image)	M	Angle (degrees)
	[0.33023	| 10.31713	| 10.45785	[43.84072

Параметры линии
Открыть Файл
Сохранить в Файл
Создать новые параметры
Использовать значения ниже
X	[0.07940 __________]
хО	10.03080 __________|
гО	10.10440 __________|
г1	[0.64100 __________|
l.km             |0.10000 ________|
Rn	[0.72000 __________|
Хп	10.06870 __________|
Кг	I__________________________________________________I

Колировать текущий график

Рис. 3. Окно программы «Unbalance-3» после ввода исходных данных

Fig. 3. The window of the “Imbalance-3” program after entering the initial dat сдвига между токами и напряжениями соответствующих фаз; потребляемые активная и реактивная мощности. Значения основных параметров вводятся для каждого из 1008 десятиминутных интервалов, в соответствии с [17].

Ряд основных параметров для каждого из 10-минутных интервалов включает в себя 364 значения исходных данных. Кроме того, в этом же классе производится ввод дополнительных данных: комплексного оператора поворота (а = е ^;120°); комплексного коэффициента (el = е^⁸⁰°), заменяющего в алгоритме программы, знак «–», а также комплексного коэффициента, равного сопротивлению обратной последовательности симметричной нагрузки в относительных единицах. Для обобщённого узла нагрузки в электрической сети 0,4 кВ, где подключается БУ, этот коэффициент составляет 0,0735 ■ _е>⁵⁴'⁶⁸⁹ [45]. Более подробно работа программного комплекса описана в [49].

Машинный анализ исследуемых показателей проводится в каждом цикле решения для каждой из трёх фаз при отсутствии и подключении в сети БУ.

Апробация и результаты исследований

Исследование НРР с помощью разработанных методов, технического средства и программного обеспечения произведено в действующей системе электроснабжения одного из цехов промышленного предприятия г. Иркутска весной 2023 г. Состав нагрузок данного цеха в основном представлен станочным оборудованием.

Группа станков цеха получает питание от цехового силового распределительного щита, находящегося на расстоянии 100 м от СТ ТМГ630–10/0,4 кВ. На шинах 0,4 кВ СТ был установлен сертифицированный прибор PQ-701 (рис. 1б). Измерения производились в течение одной недели, в соответствии с [17].

Рис. 4. Временные диаграммы изменения фазных токов в исследуемой системе электроснабжения

• Fig. 4.    Time diagrams of changes in phase currents in the studied power supply system

На рис. 4 представлены диаграммы изменения фазных токов в исследуемой электрической сети. Из диаграмм видно, что загруженность всех трёх фаз существенно отличается. Так, зна-чение ² тока фазы А (54 А) на 18,5 % превышает ток фазы С (44 А), а фаза В практически не загружена на протяжении всего периода измерений, и ток в ней составляет 4,6 А (на 92 % меньше тока фазы А).

Изменение характера гармонического состава токов показано на диаграмме рис. 5. Из анализа диаграмм следует: несмотря на то, что в каждом из 10-минутных интервалов фиксируется ток, превышающий на 5 % ток прямой последовательности основной частоты, усреднённые

Time, min / Время, мин.

Рис. 5. Временные диаграммы изменения совокупностей P , N и Z -последовательностей

• Fig. 5.    Time diagrams of changes in the aggregates of P, N and Z-sequences

  Здесь и далее под значением исследуемого показателя понимается его среднеарифметическое значение за 1008 десятиминутных интервалов, каждое значение которого, в свою очередь, усреднено за 600 с 10-минутного интервала.

за каждый установленный период измерения временного интервала при значениях P , N и Z последовательностей незначительны: для P -последовательности – чуть менее 1 % уровня основной гармоники тока основной частоты (при этом для 42 % интервалов измерения ток для этой последовательности равен 0); для N -последовательности – 4,3 % тока основной частоты, для Z -последовательности – 6,5 %.

Проведённый анализ показал, что несбалансированность режима работы исследуемой электросети в основном связана с несимметричным электропотреблением.

Тем не менее общая несбалансированность режима работы исследуемой сети приводит к существенному увеличению исследуемых показателей, определяемых по выражениям (4)-(5), (6)-(9), (18)-(19). На рис. 6–8 представлены исследуемые величины при отсутствии в сети БУ.

Анализ рис. 6–8 показал следующее. Коэффициент K_0U (рис. 6а) превышает норму, устанавливаемую стандартом (2 %) [17] в 2,7 раза (среднее значение составляет – с.з. = 5,42 %). Значение коэффициента K_2U практически соответствует стандарту (с.з. = 2,24 %). При подключении в сети БУ значение коэффициента K 0 U практически приближается к нулю (с.з. = 0,002 %), а коэффициент K _{2 U} снижается на 98 % (с.з. = 0,044 %) (рис. 6б). То есть по коэффициентам не-симметрии напряжений эффект балансировки близок к 100 %.

Рис. 6. Временные диаграммы изменения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям в исследуемой электрической сети: а) при отсутствии БУ; б) при подключении в сети БУ

Fig. 6. Time diagrams of changes in the voltage asymmetry coefficients for the reverse and zero sequences in the studied electrical network: a) in the absence of a control unit; b) when connected to a control unit network

Рис. 7. Временные диаграммы изменения отклонения напряжения в исследуемой электрической сети: а) при отсутствии БУ; б) при подключении в сети БУ

Fig. 7. Time diagrams of changes in voltage deviation in the electrical network under study: a) in the BD is absence; b) when BD connected to the power supply network

Отклонение напряжения электропитания при отсутствии БУ не выходит за установленные пределы, поскольку расстояние от шин РП до станочного оборудования не превышает 30 м, его с.з. составляет 0,66 % (рис. 7а). Тем не менее при включении БУ его среднее значение составило 0,0002 % (рис. 7б), т.е. эффективность БУ для этого показателя качества также близка к 100 %.

Коэффициент потерь мощности до включения устройства составлял 2,65 (рис. 8а), а при включении БУ – 1,18 (рис. 8б). Таким образом, его снижение составило 55,5 %.

Соответствующий эффект балансирования установлен и для потерь активной и реактивной мощности в исследуемой электрической сети (рис. 9–10).

Как видно из анализа рис. 9–10, подключение БУ в исследуемой электрической сети позволило снизить потери активной мощности на 55,7 % (с 3,78 кВт до 1,67 кВт), а потери реактивной мощности на 55,5 % (с 19,33 квар до 8,61 квар). Визуализация изменения потерь активной мощности при использовании батареи конденсаторов в составе БУ не приводится, поскольку расчетами установлено, что для данной электрической сети использование КРМ нецелесообразно, поскольку в основном будут приводить, наоборот, к увеличению активных потерь, так как коэффициент реактивной мощности tgφ практически во всех интервалах времени измерения меньше, чем экономически обоснованное значение (0,35).

Рис. 8. Временные диаграммы изменения коэффициента потерь в исследуемой электрической сети: а) при отсутствии БУ; б) при подключении в сети БУ

Fig. 8. Time diagrams of changes in the loss coefficient in the studied electrical network: a) in the absence of a BD; b) when BD connected to the network

Рис. 9. Временные диаграммы изменения потерь активной мощности в исследуемой электрической сети: а) при отсутствии БУ; б) при подключении в сети БУ

Fig. 9. Time diagrams of changes in active power losses in the studied electrical network: a)BD is absence; b) when BD connected to a power supply network

Рис. 10. Временные диаграммы изменения потерь реактивной мощности в исследуемой электрической сети: а) при отсутствии БУ; б) при подключении в сети БУ

Fig. 10. Time diagrams of changes in reactive power losses in the studied electrical network: a) the BD is absence; b) when BD connected to a network

Соответственно, мощность батарей конденсаторов, определяемая по выражению (14), будет иметь отрицательное значение, и при ее вычитании из общего потока, наоборот, будет складываться, увеличивая расчетную Q, S, а следовательно, и рабочий ток, и потери активной мощности. Таким образом, для данной электрической сети включение батарей конденсаторов в составе БУ нецелесообразно.

Подводя итог произведенному исследованию, можно сделать следующие выводы.

• 1.    Режимы работы низковольтных электрических сетей имеют ярко выраженный несбалансированный характер, обусловленный действием симметричных составляющих токов обратной и нулевой последовательностей основной частоты напряжения электропитания, а также дополнительных соответствующих суммарных прямой, обратной и нулевой последовательностей, обусловленных эмиссией ВГС.

• 2.    Потери электроэнергии, обусловленные несбалансированным электропотреблением, значительно увеличиваются, а её качество снижается.

• 3.    Предложено разработанное универсальное балансирующее устройство, позволяющее снизить показатели качества и более чем на 50 % снизить потери мощности и энергии.

• 4.    Разработанное программное обеспечение расчетов несбалансированных режимов позволяет производить исследование эффективности предлагаемых технических решений для действующих электрических сетей с любыми параметрами.