Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кв при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора звезда – звезда с нулём с симметрирующим устройством
1
На правах рукописи
ТЕРЕМЕЦКИЙ Максим Юрьевич
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
СЕТЯХ 0,38 кВ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ С
ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРА «ЗВЕЗДА – ЗВЕЗДА С НУЛЁМ С
СИММЕТРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ»
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин 2011 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Косоухов Фёдор Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валге Александр Мартынович кандидат технических наук, профессор Иванов Иван Иванович
Ведущая организация: Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина
Защита состоится 14 февраля 2012 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г.Санкт-Петербург – Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, ауд. 2-719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.
Автореферат размещён на сайте ФГОУ ВПО «Санкт–Петербургский государственный аграрный университет»: www.spbgau.ru.
Автореферат разослан «» декабря 2011 г.
Ученый секретарь Смирнов В.Т.
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В сельских электрических сетях с коммунально бытовыми нагрузками применяются в основном трансформаторы потребительских ТП со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулём», которые обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, примерно в 10 раз превышающим сопротивление прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке фаз в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию трёхфазных напряжений на выходе трансформатора. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности трансформаторов в большинстве случаев превышает в 2…2,5 раза допустимое ГОСТом 13109-97 значение. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети равной 25…30 %, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30…50 % по сравнению с симметричным режимом.
В указе Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» отмечается: «В целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40 % по сравнению с 2007 годом». В соответствии с этим указом в ближайшие десять лет предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40 % по сравнению с 2007 годом, повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран.
В Федеральном законе Российской Федерации №261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» отмечается:
«Значение целевых показателей в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».
Существенного снижения потерь и повышения качества электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ можно достигнуть с помощью силовых трансформаторов с малым сопротивлением нулевой последовательности, а так же симметрирующих устройств, применением электроустановок для компенсации реактивной мощности.
Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ является важной задачей в области сельской электроэнергетики.
Объект исследования. Электрические сети 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток «звезда – звезда с нулём с симметрирующим устройством» (Y/YН СУ).
Предмет исследования. Потери и качественные показатели электроэнергии в сетях 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток Y/Yн СУ.
Цель работы. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора Y/Yн СУ.
Задачи исследования:
1) Разработка метода расчета показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания.
2) Создание физической модели сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети.
3) Проведение экспериментальных исследований потерь мощности, качества электрической энергии на физической модели сети 0,38 кВ с трансформатором Y/Yн СУ и Y/Yн.
4) Технико-экономические показатели применения трансформатора Y/Yн СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.
Основные положения диссертации выносимые на защиту:
- метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;
- физическая модель сельской сети для экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети с трансформаторами Y/Yн СУ, Y/Yн;
- результаты экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети;
- технико-экономические показатели применения в сельских сетях 0,38 кВ трансформатора ТМГСУ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;
- проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ;
- разработана физическая модель сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;
- получены результаты экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/Yн СУ и Y/Yн.
Практическая значимость работы заключается в снижении несимметрии напряжений в сельских сетях 0,38 кВ путём применения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Yн СУ, в результате этого снижаются потери мощности и электроэнергии в этих сетях.
Апробация. Основные положения и результаты научной работы докладывались и обсуждались на ХХХ сессии Всероссийского семинара энергетических систем» по тематике «Кибернетика «Диагностика энергооборудования» в Южно-Российском государственном техническом университете г. Новочеркасск, 24-25 сентября 2008 г., а также на научных конференциях СПбГАУ 2007-2010 г.г.
Внедрение. Материалы исследования электрической сети 0,38 кВ с трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Yн СУ приняты к внедрению в филиале ООО «Энергоконтроль» «Гатчинское отделение».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 70 наименований, 8 приложений;
включает 175 страниц, 36 рисунков, 53 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации.
В первой главе «Показатели несимметрии токов и напряжений и потерь мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ» рассмотрены причины возникновения несимметрии токов и напряжений в сельских сетях 0,38 кВ, методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях 0,38 кВ при несимметричной системе токов, влияние несимметрии напряжений и токов на работу электрооборудования.
В электрических сетях 0,38 кВ в последние годы значительно возросла доля мощной однофазной нагрузки в связи с широким применением однофазных стабилизаторов напряжения номинальной мощностью 30 кВт и более, сварочных трансформаторов мощностью 50 кВА, коммунально-бытовых электроприёмников.
Из-за неравномерного распределения однофазных электроприёмников по фазам создаётся перегрузка одних и недогрузка других фаз. Вследствие этого в сетях 0, кВ возникает значительная несимметрия токов (систематическая или неслучайная несимметрия токов (ННТ)), вызывающая дополнительные потери мощности и электроэнергии в трансформаторах и воздушных линиях. Кроме того, на выходных зажимах трансформаторов и в узлах нагрузки создаётся несимметричная система напряжений, коэффициент нулевой последовательности которой в несколько раз превышает допустимое ГОСТом 13109-97 значение.
Точные методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях при несимметричной системе токов основаны на применении метода симметричных составляющих. Этот метод получил наибольшее распространение в технической литературе.
Большой вклад в разработку методов расчёта и способов снижения потерь внесли учёные–электроэнергетики: Рожавский С.М., Шидловский А.К., Милях А.Н., Кузнецов В.Г., Жежеленко И.В., Косоухв Ф.Д., Пястолов А.А., Ерошенко Г.П., Бородин И.Ф., Сердешнов А.П., Кисель О.Б., Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Мельников Н.А., Наумов И.В., Попов Н.М. и другие.
Критерием оценки дополнительных потерь мощности при несимметричной нагрузке может служить коэффициент потерь мощности. Он определяется как отношение потерь мощности в несимметричном режиме работы сети PН к потерям мощности при симметричном режиме P S = P 1 = 3 I 12 R 1 (в этом случае токи обратной и нулевой последовательностей равны нулю, и потери мощности будут обусловлены только токами прямой последовательности):
I 0 R I 2 R P Н KР = =1 + + (1), 2 I 1 R1 I 1 R P S где R1, R2, R0 - активные сопротивления прямой, обратной, нулевой последовательности для участка сети;
I1, I 2, I 0 - токи прямой, обратной, нулевой последовательности для того же участка сети.
I0 = I Учитывая, что 2 = K 2i и K0i, а также равенство сопротивлений обратной и I I прямой последовательностей R 2 = R 1 для трансформаторов и линий электропередачи, получаем:
K Р = 1 + K 2i + K 0i K R, (2) где K 2i - коэффициент обратной последовательности токов;
K 0i - коэффициент нулевой последовательности токов;
R KR = - кратность активного сопротивления нулевой последовательности.
R Относительные значения фазных потерь напряжения на некотором участке сети определяются как отношения фазных падений напряжений при несимметричной системе токов к падению напряжения при симметричном режиме, с учётом равенства для электрических сетей сопротивлений прямой и обратной последовательностей ( Z 1 = Z 2 ) имеем:
U A IZ I A= = 1+ 2 + 0 0 ;
U 1 I1 I1 Z1 IZ U B I B= = a2 + a 2 + 0 0 ;
(3) U 1 I1 I1 Z IZ U C I C = = a + a 2 2 + 0 0, U 1 I1 I1 Z1 U A, U B, U C где - комплексы фазных потерь напряжения на участке сети;
U 1 - комплекс фазной потери напряжения прямой последовательности на участке сети;
j a=e – фазный множитель (оператор поворота на 120°), I Z I = K2i, 0 = K0i, и обозначив 0 = KZ, получим выражения:
Учитывая, что I1 Z I A = 1 + K 2 i + K 0i K Z ;
B = a 2 + a K 2 i + K 0i K Z ;
(4) C = a + a 2 K 2 i + K 0i K Z.
Во второй главе «Mетод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания» предложен метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с учётом несимметрии напряжения источника питания.
Расчету показателей несимметрии токов и напряжений, потерям и качеству электроэнергии в системах электроснабжения посвящены многие работы. Однако, в этих работах при определении показателей нессиметрии напряжений и токов не учитывается нессиметрия напряжений источников питания при использовании симметрирующих устройств. Этот недостаток исключен в предлагаемом методе, основанном на методе симметричных составляющих.
Схема замещения трёхфазной сети представлена на рис.1.
Рис.1. Трёхфазная схема замещения участка электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками с симметрирующим устройством Для выполнения расчёта используются следующие исходные данные:
1) Симметричные составляющие прямой, обратной, нулевой последовательностей напряжений источника питания U И 1, U И 2, U И 0.
2) Полные комплексные сопротивления линии прямой, обратной, нулевой последовательностей Z Л 1, Z Л 2, Z Л 0.
3) Полные комплексные сопротивления симметричной нагрузки прямой, обратной последовательностей Z 1, Z |2 и симметрирующего устройства прямой, обратной и | нулевой последовательностей Z 1СУ, Z 2СУ, Z 0 СУ.
4) Полные комплексные сопротивления несимметричной нагрузки, распределенные по фазам Z а, Z в, Z с.
В результате вычислений получены коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжений в узле нагрузок и токов в линии при несимметричной системе напряжения источника питания:
( );
q 2 2 Z Э 2 q1 Z G + q 0 Z T 3 2 K 2U = (5) (q Z ) q1 1 Z Э1 + q0 Z F 3 2 D ( );
q0 Z Э 0 q1 Z M + q 2 Z N 3 2 (6) K 0U = ( ) q1 Z Э1 q 2 Z + q 0 Z 3 2 1 D F ( )( ) ( ) ;
Z P1 Z P 2 Z Э 2 q 1 Z G + q 0 Z Т + q 2 Z P 2 Z 2 + Z 2 2 2 K 2i = ( )( ) ( ) (7) Z P 2 Z P1 Z Э 1 q 2 Z D + q 0 Z F + q 1 Z P1 Z 1 + Z 2 2 2 ( )( ) Z P1 ( Z 0СУ Z Э 0 ) q1 Z M + q 2 Z N + q 0 Z 0СУ Z 0 + Z 2 2 2 I K 0i = Л 0 = (8).
( )( ) Z 0СУ ( Z P1 Z Э1 ) q 2 Z D + q 0 Z F + q1 Z P1 Z 1 + Z 2 2 2 I Л где:
1 = 3 Э 2 Э 0 + VO + HO ( Э 2 + Э 0 ) ;
Z D = Z V 1 Z H 2 Z Э0 ;
Z F = Z V 2 Z H1 Z Э2 ;
2 2 2 2 2 2 ZV1 = а Z а Z в + Z в Z с + а Z с Z а ;
ZV 2 = а Z а Z в + Z в Z с + а Z с Z а ;
2 2 2 VO = а в + в с + с а ;
Z H1 = Z а + а Z в + а Z с ;
Z H2 = Zа + а Zв + а Zс;
2 2 2 = 3 Э1 Э 0 + VO + HO ( Э1 + Э 0 ) ;
HO = а + в + с ;
Z G = Z V 2 Z Э 0 Z H 1;
2 2 2 Z T = Z V 1 Z H 2 Z Э1;
Z M = Z V1 Z Э2 Z H 2 ;
Z N = Z V 2 Z H 1 Z Э1;
2 2 2 2 2 0 = 3 Э1 Э 2 + VO + HO ( Э1 + Э 2 ) ;
1 = 3 а в c + VO ( Э 2 + Э 0 ) + HO Э 2 Э 0 ;
2 2 3 U И 1 Z P1 U Z U Z Z Л 1 Z P1 Z Л 2 Z P U Э1 = ;
U Э 2 = И 2 P 2 ;
U Э 0 = И 0 0СУ ;
Z Э1 = Z Э2 = ;
;
(9) Z Л 1 + Z P1 Z Л 2 + Z P2 Z Л 0 + Z 0СУ Z Л 1 + Z P1 Z Л 2 + Z P Z Л 0 Z 0СУ U И Z P1 Z P Z Э0 = q1 = q 2 = q Z 2 К 2UИ ;
qZ 2 = = ;
;
;
;
К Z Л 0 + Z 0СУ Z Л 1 + Z P1 Z Л 2 + Z P 0UИ U И Z Z Z Z / / Z 0СУ Z P1 = /1 1СУ ;
= /2 2СУ ;
q0 = q Z 0 К 0UИ ;
qZ 0 = Z P2 ;
Z 1 + Z 1СУ Z 2 + Z 2СУ Z 0 + Z 0СУ Z 2 = 3Z a Z в Z с + Z V 0 ( Z Э1 + Z Э 0 ) + Z Н 0 Z Э1 Z Э 0 ;
3 Z 0 = 3Z a Z в Z с + Z V 0 ( Z Э1 + Z Э 2 ) + Z Н 0 Z Э1 Z Э 2.
3 Выражения (5) – (9) справедливы не только в том случае, когда источником с нессиметричной системой напряжений является трансформатор потребительской ТП, но и любой другой пункт питания электрической сети. При этом следует иметь в виду, что сопротивления в выражениях (5) – (9) будут определяться в виде суммы комплексных сопротивлений участка сети от источника с нессиметричной системой напряжений до узла нагрузки.
Из выражений (5)…(8) видно, что показатели несимметрии напряжений и токов зависят от параметров несимметричной и симметричной нагрузок, от параметров сети и ШСУ, а также от коэффициентов обратной и нулевой последовательностей источника питания.
В третьей главе «Определение параметров электрооборудования физической модели сети 0,38 кВ». Экспериментальным путём определены сопротивления прямой и нулевой последовательности силового трансформатора типа ТМГСУ, воздушной линии 0,38 кВ, а также сопротивления прямой и обратной последовательности трёхфазных асинхронных электродвигателей. Получены зависимости сопротивлений прямой, обратной последовательности трёхфазного асинхронного электродвигателя от коэффициента его загрузки и коэффициента обратной последовательности напряжений.
На сельских потребительских подстанциях в основном применяются понижающие трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда – звезда с нулём» (Y/Yн), как самые дешёвые в изготовлении трансформаторы и экономичные в эксплуатации при симметричной нагрузке. Однако, они обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, которое примерно в 10 раз больше сопротивления прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке в сети в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию фазных напряжений на выходных зажимах трансформатора и на нагрузке. В результате этого коэффициент нулевой последовательности напряжений K 0U даже при небольшой несимметрии нагрузок превышает 2% – допустимое значение ГОСТом 13109 – 97. Кроме этого, увеличиваются потери мощности как в самом трансформаторе так и в линиях, отходящих от него.
Рис.2. Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора: 1 – трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора;
2 – обмотки высшего напряжения;
3 – обмотки низшего напряжения;
4 – компенсационная обмотка;
5 – дистанционные клинья;
6 – конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения;
7 – конец компенсационной обмотки, выводимый наружу Минский электротехнический завод наладил выпуск трансформаторов с симметирующим устройством Y/Yн СУ двух типов ТМСУ (с маслорасширителем) и ТМГСУ (в герметичном исполнении) мощностью 25…250 кВА, которые применяются в электрических сетях Республики Беларусь.
Сопротивление нулевой последовательности трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Yн СУ примерно в 4 раза меньше сопротивления нулевой последовательности трансформатора Y/Yн. Поэтому трансформаторы Y/Yн СУ в большей мере обеспечивают симметричную систему фазных напряжений в сети 0, кВ при несимметричной нагрузке.
Симметрирующее устройство (СУ) встраивается в трансформатор со схемой Y/Yн. Данное устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Yн (рис. 2).
Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную мощность однофазной нагрузки. Она включена в рассечку нулевого провода трансформатора Y/Yн из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках Фор трансформатора Y/Yн полностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности Фок от симметрирующего устройства. Тем самым, в конечном счете, предотвращается перекос фазных напряжений.
В четвёртой главе «Экспериментальные исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети 0,38 кВ на физической модели» произведено описание разработанной экспериментальной установки, приведена методика исследования потерь мощности и качественных показателей электрической энергии в сетях 0,38 кВ. Проведены экспериментальные исследования потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений на физической модели сети 0,38 кВ с силовым трансформатором со схемой соединением обмоток «звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством» (Y/Yн СУ).
Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания. Выполнен статистический анализ расчетных и опытных данных.
Целью экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформатором Y/YН СУ является установление уровня потерь мощности в трансформаторе и линии 0,38 кВ и показателей несимметрии токов и напряжений в сети с трансформаторами Y/YН СУ и Y/YН при несмметричной нагрузке. Для этого на кафедре электротехники и электроснабжения СПбГАУ была разработана экспериментальная установка, представляющая по существу натурно-физическую модель реальной сети 0,38 кВ. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис.3.
Достоинством этой экспериментальной установки является применение в ней реальных электротехнических устройств: силового трансформатора типа ТМГСУ номинальной мощностью 25 кВА с коэффициентом трансформации 1,0 и номинальным напряжением 0,4 кВ;
линии электропередачи, выполненной проводом марки СИП – 4 сечением 25 мм, длиной 370 м;
несимметричной регулируемой активной нагрузки мощностью 25 кВт;
двух трёхфазных асинхронных электродвигателей номинальной мощностью 4,5 кВт каждый, нагрузкой которых являются генераторы постоянного тока.
Измерения фазных и линейных напряжений, токов и активных мощностей производились в трёх точках установки:
– на входе трансформатора;
– на выходе трансформатора (на входе линии: точка Х1, рис.3);
– в узле нагрузок (на выходе линии: точка Х2, рис.3).
Рис.3. Электрическая схема экспериментальной установки для исследования потерь и показателей качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ Все измерения осуществлялись с помощью трёх измерительных комплексов «Энергомонитор 3.3», имеющих класс точности 0,1, а также обычными показывающими приборами классом точности 0,5.
Одновременно производились измерения более 60 физических величин в каждом опыте. Всего проведено более 40 опытов.
Все опыты проводились для изолированной воздушной линии длиной 370 м.
По результатам опытов были проведены расчеты (пример, табл.1).
Результаты исследования трансформатора ТМГСУ сравнивались с результатами исследования трансформатора ТМГ со схемой соединения обмоток Y/Yн (пример, табл.2).
Таблица. Результаты расчёта по данным измерений: изменяется однофазная активная нагрузка (симметричная нагрузка отсутствует) Физическая Ед. Опыт Опыт Опыт Опыт Опыт величина измер. №1 №2 №3 №4 № Вт 1809 3005 4963 Pвх Вт 1671 2830 4659 Pвых1 Вт 1576 2596 4059 Pвых2 Pт Вт 137,3 175,4 304 390 449, Pл Вт 95,6 233,2 600,1 906,3 1133, о.е. 1 1 1 1 K2i о.е. 1 1 1 1 K0i о.е. 3,29 3,29 3,29 3,29 3, KPт о.е. 5,00 5,00 5,00 5,00 5, KPл * о.е. 0,063 0,104 0,162 0,19 0, PН Вт 1576 2596 4059 4757 P Примечание к табл. PT =PВХ PВЫХ1 – потери мощности в трансформаторе;
PЛ =PВЫХ1 PВЫХ2 – потери мощности в линии;
K2i – коэффициент обратной последовательности токов;
K0i – коэффициент нулевой последовательности токов;
R – коэффициент потерь мощности в трансформаторе;
K P = 1+K 2 + K 0i 2 Т 2i R 1Т T – активные сопротивления нулевой и прямой последовательности R0Т, R1Т трансформатора;
R – коэффициент потерь мощности в линии;
2 K P =1+K 2i +K 0i Л R 1Л Л – активные сопротивления нулевой и прямой последовательности R 0 Л, R 1Л линии;
PВЫХ PН = – активная мощность нагрузки в относительных единицах.
* SНОМ Таблица Уровни потерь мощности и показателей несимметрии в сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/YН СУ и Y/YН где Pн/ = Рн + РТ + Р л Сравнение результатов исследования для двух трансформаторов приведено на графиках рис.4 – 7.
Коэффициенты потерь мощности для этих типов трансформаторов существенно отличаются (рис.4): для трансформатора ТМГСУ KPт в 1,5 раза меньше, чем для трансформатора ТМГ Y/Yн. Это объясняется тем, что сопротивление нулевой последовательности R 0 трансформатора ТМГСУ в четыре раза меньше R 0 трансформатора ТМГ Y/Yн.
Рис.4. Зависимости коэффициентов Kрт, Kрл, K2i, K0i от величины Рн (изменяется однофазная активная нагрузка, симметричная нагрузка отсутствует):
– – – – электрическая сеть с трансформатором Y/YН ;
–––– электрическая сеть с трансформатором Y/YН СУ Потери мощности при однофазной нагрузке в трансформаторе ТМГСУ при P = 0,17 в два раза меньше, чем в трансформаторе ТМГ Y/Yн (рис.5), при этом * Н потери мощности в линии на 1-2% больше для сети с трансформатором ТМГСУ.
Рис.5. Зависимости потерь мощности в трансформаторе PТ от величины Рн (изменяется однофазная активная нагрузка, симметричная нагрузка отсутствует):
– – – – электрическая сеть с трансформатором Y/YН;
–––– электрическая сеть с трансформатором Y/YН СУ При трёхфазной несимметричной нагрузке коэффициент обратной последовательности напряжения K2U1 на выходе обоих типов трансформаторов не превышает 2%, а в узле нагрузок K 2U 2 он менее 4% (рис.6).
Рис.6. Зависимости коэффициентов K2U, K0U от величины Рн: изменяется однофазная активная нагрузка фазы «А», нагрузка фаз «В» и «С» постоянная (смметричная нагрузка отсутствует):– – – – электрическая сеть с трансформатор Y/YН ;
–––– электрическая сеть с трансформатор Y/YН СУ Коэффициенты нулевой последовательности K 0U напряжений для этих типов трансформаторов имеют различные значения. Так например, при PН = 0, 6 * коэффициент K0U1 на выходе трансформаторов для ТМГСУ равен 3 %, а для ТМГ Y/Yн 9 %;
в узле нагрузок коэффициент K 0U2 для этих трансформаторов соответственно равен 8,5 % и 13 % (рис.6).
Применение трансформатора ТМГСУ позволяет снизить отклонение напряжений в узле нагрузок. Так при однофазной нагрузке и PН = 0,16 отклонение * напряжения в фазе А снижается на 10 %, в фазе В на 14 %, а в фазе С на 5 % (рис.7).
Рис.7. Зависимость отклонения напряжения в узле нагрузок от мощности однофазной нагрузки (фаза А): – – – – электрическая сеть с трансформатором Y/YН ;
–––– электрическая сеть с трансформатором Y/YН СУ Результаты расчета коэффициентов несимметрии напряжений и токов с учётом несимметрии напряжения источника питания (глава 2), а также эти же коэффициенты полученные в ходе экспериментов (глава 4) представлены в таблицах 3 и 4.
Таблица Коэффициенты несимметрии напряжений Определяемая Ед. Опыт Опыт Опыт величина измер. №1 №2 № К2U2 расчет % 2,96 2,36 1, К2U2 опыт % 3,31 2,65 1, К0U2 расчет % 12,5 9,55 4, К0U2 опыт % 10,94 8,52 4, Таблица Коэффициенты несимметрии токов и потерь мощности Определяемая Ед. Опыт Опыт Опыт величина измер. №1 №2 № К2i1 расчет % 31,5 21,9 10, К2i1 опыт % 25 17 К0i1 расчет % 23,6 16,5 7, К0i1 опыт % 20 14 KPт расчет о.е. 1,169 1,082 1, KPт опыт о.е. 1,113 1,053 1, Для оценки достоверности результатов был проведен статистический анализ, результаты которого показали, что значения коэффициентов полученных расчетным и экспериментальным путём относятся к одной генеральной совокупности. Это подтверждает правильность предложенного метода.
Как видно из таблиц 3 и 4 коэффициенты несимметрии напряжений и токов, коэффициенты потерь мощности можно определить расчётным путем, согласно изложенному методу, с достаточной точностью.
В пятой главе «Технико-экономические показатели применения в сельских сетях 0,38 кВ трансформатора с соединением обмоток Y/Yн СУ» приведён метод расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов и расчёт экономического эффекта от снижения потерь.
1. Рассмотрим среднестатистическую сельскую сеть 0,38 кВ, содержащую трансформатор потребительской ТП мощностью 100 кВА напряжением 10/0, кВ, Y/YН СУ и воздушную линию 0,38 кВ длиной 400 м. Коэффициент загрузки трансформатора k з = 0, 7, коэффициент мощности нагрузки cos = 0,9.
2. Расчет снижения потерь электрической энергии, обусловленное уменьшением коэффициентов обратной и нулевой последовательностей токов в линии 0,38 кВ и трансформаторе:
K PK WNS = WН 1, K PН где WН - потери электроэнергии при начальной несимметрии токов.
Электроэнергия, передаваемая по электросети 0,38 кВ за год:
WП = S ном cos k з T = 100 0,9 0, 7 2000 = 126000 кВт ч год, где T - число часов использования максимума нагрузки.
Принимаем потери в сельских сетях 0,38 кВ с трансформаторами Y/YН равными 17,5 %, получаем:
WН = 0,175 WП = 0,175 126000=22050 кВт ч год Примем отношение коэффициентов потерь мощности K P K / K P Н = 1/1, 5 по данным опыта (рис.4).
WН K W NS = W Н K PK = WН 1 PK ;
(9) K PН K PН WNS = 22050 1 = 7350кВт ч год.
1, 3. Расчет экономического эффекта от снижения потерь электроэнергии в сети 0, кВ за счёт применения трансформатора Y/YН СУ.
Удельные затраты на потери электроэнергии в сетях зЭ по данным ОАО «Ленинградская областная управляющая электросетевая компания» за 2009 г. в среднем равны 1,12 руб/ кВт.ч.
Стоимость трансформаторов:
– ТМГСУ–100/10 – 99500 руб.;
– ТМГ–100/10 – 95800 руб.
Таким образом, разница в стоимости трансформаторов составляет 3,7 тысячи рублей.
Срок окупаемости:
K TOK = (10), лет P зЭ W K 3, = = 0,5 лет.
TOK 6, 1,12 7,35 3, Абсолютный годовой экономический эффект:
K (1 0,12 TOK ), Э= (11) тыс.руб, TOK 3, (1 0,12 0, 3) = 7, 5 тыс.руб.
Э= 0, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Основным критерием потерь мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ 1.
при несимметричной нагрузке является коэффициент потерь мощности, равный отношению потерь мощности в сети при несимметричной нагрузке к потерям при симметричном режиме. Теоретически и экспериментально установлено в диссертации, что значение этого коэффициента для трансформатора типа ТМГСУ-25 изменяется в диапазоне от 1,0, при трёхфазной симметричной нагрузке, до 3,5 при однофазной нагрузке.
Разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в 2.
сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания и проведена экспериментальная его проверка.
Максимальное расхождение расчётных и экспериментальных показателей несимметрии напряжения составляет:
– для коэффициента обратной последовательности напряжений 12,6 %;
– для коэффициента нулевой последовательности напряжений 17 %.
Для экспериментального исследования потерь и качества электроэнергии в 3.
сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке разработана и смонтирована физическая модель электрической сети, включающая реальные электротехнические устройства: силовой трёхфазный трансформатор, линию электропередачи 0,38 кВ, узел нагрузки, содержащий несимметричную нагрузку и трёхфазные асинхронные электродвигатели. Экспериментально установлены уровни потерь мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/Yн и Y/Yн СУ:
– минимальные потери для обоих трансформаторов имеют место при трёхфазной симметричной нагрузке – 13,4 % от передаваемой мощности;
– при двухфазной нагрузке потери возрастают на 2-3 % по сравнению с симметричным режимом, и составляют:
в сети с трансформатором Y/Yн – 15,32 %;
в сети с трансформатором Y/Yн СУ – 15,48 %;
– при однофазной нагрузке потери максимальные:
в сети с трансформатором Y/Yн – 27,98 %;
в сети с трансформатором Y/Yн СУ – 22,02 %.
Опытным путём установлено, что исследуемый трансформатор Y/Yн СУ 4.
обладает рядом преимуществ по сравнению с широко применяемым в сельском хозяйстве трансформатором Y/Yн:
- он позволяет снизить потери мощности и электроэнергии в трансформаторе в 1,5 раза;
- повысить качество напряжения в сети 0,38 кВ, уменьшая коэффициент нулевой последовательности напряжений в 2-4 раза в зависимости от вида нагрузки, а отклонение напряжения – на 8-10 %.
Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей 5.
несимметрии токов и напряжений в электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания, которая показала сходимость результатов расчёта с опытными данными.
6. Превышение стоимости трансформатора Y/Yн СУ за счёт установки в нём симметрирующей обмотки над стоимостью трансформатора Y/Yн составляет около 4 %. Дополнительные расходы окупаются за счёт снижения потерь электроэнергии в трансформаторе примерно за 6 месяцев.
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В изданиях, рекомендованных ВАК Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю. Определение параметров трансформатора и 1.
линии 0,38 кВ экспериментальным способом // Известия СПбГАУ. – 2010.№20. – С.333 – 340.
Косоухов Ф.Д. Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Метод 2.
расчета показателей несимметрии напряжений и токов в сетях 0,38 кВ // Изв.
вузов. Электоромеханика.2008., Спец выпуск. – С.156 – 159.
Косоухов Ф.Д., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Показатели несимметрии 3.
токов и напряжений в сельских электрических сетях 0,38 кВ // Известия СПбГАУ – 2008.–№11. – С.238 – 243.
Теремецкий М.Ю. Экспериментальное исследование потерь и показателей 4.
качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ // Известия СПбГАУ.
–2010.№20. – С.328 – 333.
В других изданиях научных трудов Косоухов Ф.Д., Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю. Измерение показателей 5.
несимметрии напряжений и токов в сельских сетях 0,38 кВ. // В сб. Проблемы энергообеспечения предпритий АПК и сельских территорий. – Спб.: СПбГАУ.
– 2008. – С.6 – 10.
Теремецкий М.Ю., Горбунов А.О. Экспериментальная установка для 6.
исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/Yн и Y/Yн СУ. // В сб. Энергетический вестник СПбГАУ. – Спб.: СПбГАУ. – 2010. – С.32 – 36.