Применение технических средств симметрирования нагрузок в сельских распределительных сетях 0, 38 КВ для повышения качества и снижения потерь электрической энергии

В современных условиях развития электрификации сельского хозяйства, характеризующейся увеличением мощностей нагрузок сельскохозяйственных предприятий, развитием электротехнологии и автоматизации технологических процессов, а также повышением степени использования электрического оборудования, следует уделять особое внимание наиболее эффективному использованию электрической энергии.

Эффективность использования электрической энергии определяется в основном созданием таких условий её потребления, при которых обеспечивается требуемое качество электрической энергии (КЭЭ) и минимум производительных потерь. Актуальность вопроса улучшения качества и уменьшения потерь электрической энергии особенно возрастает в условиях объективно-несимметричной работы электроприёмников в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ.

Одним из способов достижения поставленной цели является воздействие на показатели качества электрической энергии (ПКЭ). Нормы и качество электрической энергии регламентирует ГОСТ 13 109–97, который устанавливает нормально и предельно допустимые значения в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трёхфазного и однофазного тока частотой 50 Гц [88]. К одним из основных показателей качества электрической энергии (ПКЭ) в распределительных сетях 0,38 кВ относят коэффициенты несимметрии обратной и нулевой последовательностей напряжения (нормированные значения составляют: 2% -нормальное и 4% - предельно допустимое) и отклонение напряжения (± 5% - нормальное, ± 10% - предельно допустимое) [88].

Качество электрической энергии у потребителей, наряду с надёжностью электроснабжения, является одной из важных характеристик электрических сетей при рассмотрении вопроса её эффективного потребления. Низкое качество электрической энергии оказывает существенное влияние, как на рабочие, так и на технико-экономические характеристики элементов сети и характеристики электроприёмников. При ухудшении качества напряжения, повышается нагрев элементов сети, увеличиваются потери мощности. Кроме того, происходит снижение эксплуатационной надёжности и сокращение срока службы электродвигателейвозникает ряд отрицательных электромагнитных явлений в сетях, увеличиваются дополнительные потери электрической энергии, обусловленные несимметрией токов (при несимметричных режимах работы распределительных сетей эти потери составляют 49,2%, что составляет 32% общих потерь в электрических сетях) [72]. Например, около 4% всей потребляемой сельским хозяйством электрической энергии дополнительно теряется в асинхронных электродвигателях при их работе в сетях с постоянно несимметричной системой напряжений, возникающей вследствие несимметрии токов [17]. Так увеличение напряжения на 10% ведет: к возрастанию светового потока и освещенности рабочей поверхности до 40%, уменьшается срок службы ламп накаливания втроек увеличению потребления реактивной мощности сети, что снижает коэффициент мощности. Уменьшение напряжения сети на 10% приводит к уменьшению светового потока ламп накаливания до 40%- уменьшению момента вращения электродвигателя на 20% [20].

В современных развитых сетях обеспечение показателей качества электрической энергии, приемлемых для потребителей, требует значительных затрат денежных средств и материалов. На настоящее время наблюдается неуклонный процесс снижения инвестиций в энергетику [56], что, в совокупности с низкой эффективностью использования уже поступивших инвестиций, приводит к недопустимому сокращению ввода новых и замещающих мощностей. К 2015 году выработает свой ресурс почти 70% имеющихся мощностей [72].

При продолжении этих тенденций уже в недалеком будущем (2004 — 2007 г. г.) электроэнергетическая отрасль может столкнуться с кризисом, который окажет негативное влияние на экономику и население страны [39].

Поэтому в настоящее время выбор правильных решений по развитию электроэнергетики, механизмов и структуры её управления имеет ключевое значение для будущего не только энергетики, но и всей экономики страны в целом. Объём ввода новых мощностей до 2015 года оценивается: линий электропередачи (ЛЭП) 330 кВ — 15 тыс. км, 220 кВ — 15 тыс. км, 110 кВ — 55 тыс. км, 0,38 кВ — 20 тыс. км. [72]. Существенно возросла цена на сооружение высоковольтных ЛЭП. Во многих регионах страны ставится вопрос об оплате стоимости отводимой под пролёты опор участков земли, а также арендной плате земельного коридора вдоль линии. В связи с этим наиболее целесообразным является более рациональное использование инвестиций при строительстве новых и реконструкции старых ЛЭП. Решение этого вопроса может быть осуществлено путём максимального использования линий электропередачи за счёт увеличения их пропускной способности и управления передаваемой по ним мощности, а так же глубокого и тщательного анализа структуры передаваемой электроэнергии, её качества и возникающих потерь.

Большой вклад в решение научных проблем повышения эффективности электроснабжения сельского хозяйства, снижения потерь, повышения качества электрической энергии внесли отечественные ученые Будзко И. А., Левин М. С., Лещинская Т. Б., Мурадян А. Е., Григорьев Н. Д., Косоухов Ф. Д., Железко Ю. С., Поспелов Г. Е., Наумов И. В. и др. Научные школы этого направления сложились в Московском, Санкт-Петербургском государственных аграрных университетах, в Белорусском, Новочеркасском и других технических университетах. Исследования, посвящённые проблеме улучшения качества и снижения потерь электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, непосредственно связаны с решением задачи симметрирования режимов работы этих сетей.

Авторами [6,17, 20, 23, 39, 49, 54, 72, 95 и т. д.] предлагаются различные по стоимости и конструкции устройства, а так же способы для улучшения качества и уменьшения непроизводительных потерь электрической энергии.

Однако, для правильной оценки эффективности использования энергии И необходим более глубокий анализ режимов работы сельских сетей 0,38 кВ, а так же разработка наиболее совершенных методов расчёта показателей качества ЭЭ.

Многочисленные исследования, посвященные анализу режимов работы сельских сетей низкого напряжения [58, 72, 90 и др.] показали, что несимметрия токов обусловлена работой коммунально-бытовой нагрузки, основную часть которой составляют неравномерно распределённые однофазные электроприёмники, имеющие случайный характер включения. При общем рассмотрении сети 0,38 кВ можно выделить следующие несимметричные режимы работы:

1. Режимы, возникающие при аварийных ситуациях (короткое замыкание, потеря фазы).

2. Режимы, вызванные неравномерным распределением однофазных потребителей (систематическая или неслучайная несимметрия).

3. Режимы, возникающие при случайном характере включений и отключений, однофазных электроприёмников в течение времени суток (вероятностная несимметрия).

4. Неполнофазные (двухи однофазные) режимы работы распределительных сетей.

С каждым годом в сельских распределительных сетях 0,38 кВ ^ наблюдается рост коммунально-бытовых нагрузок. Причём увеличивается, как правило, мощность однофазных потребителей (электроплиты, электрочайники и т. п.). Следствием этого является увеличение несимметрии токов и напряжений, то есть значений их симметричных составляющих обратной и нулевой последовательностей. Например, ток обратной последовательности в трёхфазных асинхронных электродвигателях может достигать больших значений даже при малых значениях напряжения обратной последовательности (из-за небольшого сопротивления обратной & последовательности) [54]. Это приводит к дополнительному нагреву электродвигателей, быстрому старению изоляции и сокращению сроков их службы [35]. В низковольтных сетях из-за несимметрии нагрузок и неравномерности графика потребления значительно увеличиваются потери мощности, ухудшается качество электрической энергии у потребителей (в низковольтных сетях потеря электрической энергии по расчёту должна быть 2.3% от передаваемой мощности, в действительности она составляет 12.18% [72]). По причине несимметрии напряжений в сети, суммарные добавочные потери мощности в двигателях равны 37,3% от суммарных потерь в этих же машинах, если они работают при средней нагрузке и номинальном напряжении [72]. Несимметрия токов приводит к возрастанию потерь мощности и энергии в сетях на 30.50%, по сравнению с симметричным режимом [26]. Кроме того, причиной низкого качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ является высокий уровень реактивной мощности (cos ср = 0,6.0,8), появление которой связано с применением большого числа асинхронных электродвигателей и отсутствием соответствующих компенсирующих устройств.

Несимметрия напряжений отрицательно влияет на работу практически всех электроприёмников. Например, при работе асинхронных двигателей, в условиях несимметрии нагрузок, наблюдается сбой в системе автоматического управления и контроля, уменьшается вращающий момент, появляется вибрация, сокращается срок службы почти вдвое [102]. Кроме того, при несимметрии напряжений ухудшается работа конденсаторных установок, а так же средств релейной защиты и автоматики. Напряжение, не удовлетворяющее требованиям ГОСТа 13 109−97, причиняет значительный материальный ущерб, ухудшает технико-экономические показатели работы системы электроснабжения в целом. Поэтому, наряду с разработкой точных методов оценки неблагоприятного влияния несимметрии токов и напряжений на режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ, актуальной является проблема разработки средств выравнивания режима электропотребления и симметрирования фазных нагрузок.

Уменьшения потерь и повышения качества электроэнергии можно добиться разными способами и средствами [17, 54, 72, 97 и др.]. При этом каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Например, применением такого способа, как перераспределение однофазных нагрузок не удается минимизировать случайную несимметрию токов (хотя дополнительные потери мощности снижаются на 15 — 20%) [72]. К тому же случайная несимметрия токов характеризуется вероятностным режимом работы присоединенных однофазных приёмников и является постоянно действующим фактором в сетях 0,38/0,22 кВ даже при одинаковой суммарной мощности фаз.

Стремление к сокращению протяжённости распределительных сетей может привести к их формированию, как разветвлённых радиальных сетей. Такие сети, как известно, имеют ряд особенностей. Во-первых, токовые нагрузки одной и той же линии, например, в начале её и в конце, резко различны, что может приводить к затруднениям при выполнении чувствительной защиты распределительных сетей от коротких замыканий. Во-вторых, существенно отличаются между собой значения напряжения в различных точках сети, что является одной из основных причин, усложняющих задачу обеспечения надлежащего качества электрической энергии у потребителей.

В настоящее время несимметричные режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ изучены не в полной мере в связи с трудностями, возникающими при экспериментальных исследованиях в действующих сетях и отсутствия современных методов расчёта этих режимов. Для получения более точных результатов, при проведении экспериментальных исследований, требуется регистрация значительного числа параметров (девяти и более), а так же наличия высокоточной многоканальной измерительной аппаратуры. Усложняет решение этой задачи и то, что регистрация параметров необходима в многочисленных точках сети. Отсутствие достоверной и полной информации о режиме работы сети не позволяет обеспечить эффективные меры по снижению уровня несимметрии токов и напряжений.

Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ тесно связано с решением проблемы снижения несимметрии токов в этих сетях. Поэтому актуальным и своевременным является рассмотрение вопросов, связанных с разработкой способов снижения несимметрии токов и подготовкой практических рекомендаций использования мероприятий по уменьшению потерь электрической энергии.

Актуальность темы

исследования обусловлена возрастанием удельного веса мощных однофазных электроприёмников в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, что приводит к увеличению дополнительных потерь электрической энергии и снижению её качества.

Цель диссертационной работы: повышение качества и снижение потерь электрической энергии при несимметрией токов в сельских распределительных сетях 0,38 кВ путем научного обоснования и выбора технических средств симметрирования несимметричных режимов работы этих сетей.

Объект исследования: сельские распределительные сети 0,38 кВ.

Предмет исследования: несимметричные режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ.

Основными задачами исследования являются:

1. Анализ режимов работы действующих сетей 0,38 кВ.

2. Анализ существующих средств и выбор наиболее целесообразного технического решения для снижения несимметрии токов и напряжений.

3. Разработка методического и программного обеспечения для анализа изменения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) при Различных режимах работы сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством (СУ).

4. Разработать способы управления работой СУ.

Научная новизна исследования заключается в комплексном исследовании факторов, определяющих снижение потерь и повышение качества электрической энергии в низковольтных сетях, в установлении взаимосвязи между ними, получении моделей, описывающих эти зависимости, анализе и обобщении теоретических положений и закономерностей, в результате которых:

1. Создана классификация способов и технических средств по снижению несимметрии нагрузки.

2. Разработан метод расчёта ПКЭ в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством.

3. Осуществлено экспериментальное исследование и проведён анализ ПКЭ и дополнительных потерь мощности на математической, физической моделях и в действующей сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и без него.

4. Разработаны способы управления работой симметрирующего устройства.

Положения, выносимые на защиту:

— результаты анализа способов и технических средств снижения несимметрии токов и напряжений;

— метод, программа расчёта и анализ ПКЭ и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и СУ;

— результаты экспериментальных исследований ПКЭ и дополнительных потерь мощности в действующей сети 0,38 кВ с СУ;

— способы управления работой СУ.

Публикаиия и апробация результатов работы.

Научные результаты исследований изложены в 12 публикациях. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ИрГСХА (20 002 003 г. г.), конференциях БГУЭиП, ИрГТУ (2002;2003 г. г.).

Полностью работа докладывалась на кафедре Электроснабжения ИрГСХА, кафедре Электроснабжения ИрГТУ и кафедре ЭиТОЭ АлтГТУ.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований применены в следующих хозяйствах Иркутской области: ЗАО «Иркутскпромстрой», КФХ «Бобко», ООО ВСТК «Шик», СХПК «Годовщина Октября», ОПХ «Сибиряк».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

4.5. Выводы.

Результаты экспериментальных исследований экономического расчёта, полученные в данной главе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Теоретические положения, приведённые в 3 главе, подтверждаются I экспериментальными данными;

2. Применение ШСУ позволяет в значительной степени повысить качество напряжения и снизить уровень несимметрии токов, а так же уменьшить потери мощности в сетях 0,38 кВ;

3. Наибольший эффект по снижению показателей качества электрической энергии в сети 0,38 кВ достигается при установке ШСУ в ближайшем к трансформаторной подстанции узле нагрузок;

4. Проведённый экономический расчёт эффективности применения ШСУ для снижения потерь мощности и повышения качества электрической энергии показывает, что использование СУ является эффективным и позволяет получить значительный экономический эффект. ж.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований установлено следующее:

1. Сельские распределительные сети 0,38 кВ характеризуются значительной несимметрией токов и напряжений, которые являются одной из основных причин снижения качества электрической энергии и увеличения потерь мощности в сети. Значения показателей качества электрической энергии более чем в 5 раз превышают установленные ГОСТом значения, а увеличение потерь мощности составляет от 40 до.

130%. Несимметричная нагрузка в нормальном режиме работы вызывает значительные отклонения напряжения (от + 7% до -8%), что более характерно для послеаварийного режима работы сети.

2. Несимметрия токов и напряжений в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой не может быть устранена только организационными мероприятиями. Для её устранения необходимо использовать симметрирующие устройства различного конструктивного исполнения. На основе проведённого анализа способов и технических средств симметрирования режимов работы сетей 0,38 кВ установлено, что наиболее эффективным средством является использование шунто симметрирующих устройств, имеющих минимально возможное сопротивление токам нулевой последовательности.

3. Получены выражения, позволяющие определить показатели качества электрической энергии и коэффициент потерь мощности в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством.

4. В результате проведённого расчёта на математической модели анализа полученных зависимостей ПКЭ и коэффициента потерь для различных режимов работы электрической сети 0,38 кВ с распределённой.

• нагрузкой установлено, что использование шунто-симметрирующего устройства оказывает значительное влияние на нормализацию ПКЭ и снижение дополнительных потерь мощности (исследуемые показатели уменьшаются в 3−7 раз) — наиболее целесообразным местом установки ШСУ в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой является ближайший к шинам трансформаторной подстанции узел нагрузки.

5. Исследования, проведённые на физической модели сети 0,38 кВ в лабораторных условиях, подтвердили результаты, полученные при математическом моделировании.

6. Произведён анализ изменений показателей качества электрической энергии в действующей сети 0,38 кВ при использовании СУ, в результате которого установлено, что применение симметрирующего устройства позволило повысить качество ЭЭ в 3−6 раз, а потери мощности уменьшить в 2 раза.

7. Разработаны способы управления работой симметрирующего устройства.

8. Ожидаемый экономический эффект от применения КШСУ — 9150 рублей.