Несимметрия напряжений

Введение

Несимметрия напряжений трехфазной сети характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений k_2U, %, определяемым отношением напряжения обратной последовательности U₂ к номинальному напряжению:

.                    (1.5)

Значение  k_2U в пределах до 2 % нормально допустимо на зажимах любого трехфазного симметричного приемника ЭЭ (ПДЗ составляет 4%).

Коэффициент нулевой последовательности напряжений,, определяется отношением напряжения нулевой последовательности основной частоты к номинальному фазному напряжению U_ном.ф, %:

                     .                             (1.6)

Согласно ГОСТ 13109-97, в распределительных сетях с однофазными осветительными и бытовыми приемниками ЭЭ нормально допустимое значение k_0U соответствует  2 %, а ПДЗ - 4 %.

Влияние несимметрии на работу электроприемников и технологических установок

Несимметрия напряжения в электрических сетях предприятий обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок (индукционных плавильных и нагревательных печей, сварочных агрегатов, печей электрошлакового переплава), а также трехфазных, длительно работающих в несимметричном режиме (например, ДСП). Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений в трехфазных сетях появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы.

При несимметрии напряжений в электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В АД при коэффициентах обратной последовательности напряжений, встречающихся в практике , снижение вращающего момента АД оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере.

При работе АД с номинальным вращающим моментом и коэффициентом обратной последовательности напряжений, равном 4 %, срок службы изоляции его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева [13]. Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще большим. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать располагаемую мощность их, а при проектировании – увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятиях.

При несимметрии напряжений сети в СД наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, в особенности при недостаточной прочности или наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30 %, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают.

Дополнительные потери мощности в СД при несимметричной нагрузке вызывают появление местных (локальных) нагревов обмотки возбуждения, что приводит к необходимости снижать ток возбуждения и тем самым уменьшать значение РМ, выдаваемой в сеть. При этом может возникнуть необходимость снизить активную нагрузку генератора или момент на валу СД.

… Предоставлено в ознакомительных целях.

Методы и средства снижения несимметрии напряжений

  Несимметрию напряжений, обусловленную несимметричными электроприемниками, можно ограничить до значений  как с помощью схемных решений, так и путем применения специальных симметрирующих устройств.

  Как известно, при соотношении мощностей КЗ в узле сети  и однофазной нагрузки   ³50  коэффициент обратной последовательности напряжений не превышает . Поэтому целесообразно присоединять ЭП, вызывающие несимметрию, к узлам сети, где мощность КЗ удовлетворяет приведенному выше соотношению. Например, мощные однофазные ЭП можно подключать через отдельные трансформаторы к шинам 110–220 кВ, где уровень  достаточно велик. В ряде случаев снижение несимметрии напряжений может быть обеспечено рациональным распределением нагрузок. При невозможности обеспечить требуемый уровень несимметрии напряжений с помощью схемных решений применяют симметрирующие устройства (СУ).

  Симметрирование с помощью СУ сводится к компенсации эквивалентного тока обратной последовательности несимметричных нагрузок и, следовательно, обусловленного ими напряжения обратной последовательности. В зависимости от места установки СУ различают индивидуальный, групповой, централизованный и комбинированный способы симметрирования. Индивидуальные СУ устанавливаются непосредственно у несимметричных ЭП. При групповом симметрировании в различных точках сети устанавливается несколько СУ, каждое из которых симметрирует определенный участок сети с подключенной к нему группой несимметричных электроприемников. При централизованном симметрировании в распределительной сети устанавливается одно СУ. Комбинированный способ симметрирования заключается в сочетании СУ, представленных выше.

  Каждый из способов симметрирования имеет свои особенности. Индивидуальный способ позволяет устранить несимметрию токов и напряжений непосредственно у потребителя, но при этом установленная мощность силовых элементов СУ используется нерационально. При централизованном способе требуется меньшая установленная мощность элементов СУ, но в сети с несимметричными нагрузками несимметрия токов сохраняется. Групповой способ симметрирования сочетает преимущества и недостатки индивидуального и централизованного способов. Выбор способа симметрирования определяется в основном параметрами сети и характером нагрузок.

  Симметрирующие устройства выполняются неуправляемыми или управляемыми в зависимости от особенностей графика нагрузки. Известно большое число схем СУ, которые имеют как электрические, так и электромагнитные связи между элементами. Каждое конкретное схемное и техническое решение СУ имеет определенные достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Рассмотрим некоторые из известных СУ.

  Симметрирующие устройства трансформаторного типа очень разнообразны. При помощи нескольких трансформаторов или специального трансформатора, включенного определенным образом между сетью и несимметричной нагрузкой, получают необходимое напряжение на нагрузке и добиваются некоторого выравнивания линейных токов. В качестве примера на рис. 15.1 приведена схема питания двухфазной нагрузки от трансформатора Скотта и векторные диаграммы токов и напряжений. Соотношения витков трансформаторов выбираются таким образом, чтобы вторичные напряжения их были равны. По этой схеме питаются индукционные плавильные печи. Симметрирующие устройства трансформаторного типа являются индивидуальными и нерегулируемыми, а их симметрирующие свойства зависят от характера нагрузки.

Симметрирующие устройства с электромагнитными связями делятся на две группы: с делителями (автотрансформаторные) и трансформаторные. В схемах с делителями мощность СУ обычно выбирается равной мощности нагрузки. С помощью переключения автотрансформаторной отпайки можно симметри-

Рисунок 15.1- Схема и векторная диаграмма токов и напряжений при питании двухфазной нагрузки от трансформатора Скотта

ровать нелинейную нагрузку с изменяющимся коэффициентом мощности. На рис. 15.2 представлена схема с одним регулируемым элементом . Такая схема имеет значение  .

  На рис. 15.3 показана схема СУ с двумя регулируемыми элементами  и . По своим характеристикам она является более предпочтительной, чем предыдущая схема, и находит применение для нагрузок с .

  Индуктивно-емкостные СУ подключаются к сети параллельно с несимметричной нагрузкой; они представляют собой комбинацию индуктивных и емкостных элементов. Наибольшее распространение получила схема Штейнметца, показанная на рис. 3.35. Векторная диаграмма, поясняющая работу устройства, приведена на этом же рисунке. Симметрирующее устройство Штейнметца наиболее эффективно при коэффициенте мощности нагрузки, равном единице. Поэтому при активно-индуктивной нагрузке параллельно ей подключается БК С2. Мощность реактора и БК С1 в этом случае выбирается из условия

.                                        (15.1)

Рис. 15.2- Автотрансформаторная схема с регулируемым элементом	Рис. 15.3- Автотрансформаторная схема с регулирующими элементами  и

Рисунок 15.4- Схема  Штейнметца и векторная диаграмма для этой схемы

Симметрирующее устройство Штейнметца обеспечивает симметрирование и активно-индуктивной нагрузки (без конденсаторов С2). Однако в этом случае коэффициент мощности снижается до значений, меньших коэффициента мощности нагрузки. В рассматриваемом случае мощность симметрирующих элементов выбирается из условия

                    (15.2)

где  – полная мощность однофазной нагрузки;  – аргумент сопротивления нагрузки.

Симметрирование при неизменных значениях симметрирующих элементов обеспечивается только при одном значении мощности нагрузки. Если возможное изменение параметров нагрузки приводит к превышению допустимой несимметрии, возникает необходимость применения управляемых СУ. Однако применение управляемых СУ не всегда необходимо при переменной несимметричной нагрузке; нужно, чтобы несимметрия напряжений не выходила за допустимый предел с интегральной вероятностью 95 %. Для обоснования возможности применения неуправляемых СУ в сетях с переменной нагрузкой необходимо проведение статистических исследований параметров несимметрии.

  Управляемые СУ могут иметь как непрерывное (аналоговое), так и ступенчатое (дискретное) управление.

  Батареи конденсаторов дискретных СУ набираются из нескольких групп, одна из которых подключена постоянно, а другие – переменно. Переключения осуществляются с помощью контакторов или тиристорных ключей. В настоящее время находит применение плавное регулирование емкостных элементов путем подключения параллельно конденсаторам реакторов, управляемых тиристорами. Недостатками этого способа управления являются использование дополнительных реакторов, что приводит к увеличению потерь энергии и установленной мощности оборудования СУ, а также генерирование ВГ тока тиристорами.

  При дискретном регулировании индуктивный элемент состоит из нескольких элементарных реакторов или представляет собой один реактор с отпайками. Плавное регулирование индуктивного элемента может быть обеспечено за счет включения реактора через управляемые тиристоры подмагничивания магнитопровода (при его наличии), изменения немагнитных зазоров в магнитопроводе, а также с помощью скользящего контакта. В качестве примера на рис. 15.5 приведены два варианта управляемых СУ, основанных на схеме Штейнметца. Недостатком их является то, что суммарная полная мощность оборудования превосходит полную мощность нагрузки, СУ имеют ограниченный диапазон регулирования.

Рис. 15.5- Варианты управляемых СУ на основе схемы Штейнметца	Рис. 15.6- Схема симметрирования с использованием БК

  Для симметрирования системы линейных напряжений при однофазных и двух- и трехфазных несимметричных нагрузках широко применяются БК с неодинаковыми мощностями фаз, используемые для КРМ в сети (рис. 3.37).

  Весьма важным обстоятельством является многофункциональный характер емкостных СУ, БК которых являются источником РМ.

  На практике полное симметрирование, т.е. когда  оказывается технически и экономически нецелесообразным; используется частичное симметрирование, когда с помощью косвенной компенсации или применения СУ обеспечивается значение .

… Предоставлено в ознакомительных целях.