Несиметрия на напреженията и токовете в трифазните електрически вериги и методи за нейното понижаване

доц. д-р инж. Стефан Стефанов 1

гл. ас. д-р инж. Иван Проданов 1

 

1 Минно-геоложки университет “Св. Иван Рилски”, гр. София

 

Резюме. При определени условия възниква задачата за оценка на несиметрията на напрежението и на тока и в случай на нейната недопустимост да се приложат специални мерки за нормализиране на параметрите на работния режим.

 

Докладът представя резултати от изследване на несиметрията на напреженията и токовете в трифазните електрически вериги и методи за нейното понижаване, които способстват при внедряването на симетриращи устройства да се получат редица преимущества: увеличаване на срока на служба на на лампите и повишаване на качествените показатели на осветлителните уредби за сметка на регулиращия ефект на симетриращите устройства, намаляващи отклоненията на напрежението в мрежата; понижаване на загубите в линиите и трансформаторите и др.

 

 

Въведение

 

При наличие на несиметрия на фазовите напрежения и токове в трифазните електрически мрежи възникват редица нежелателни явления, които влошават техническите и икономически показатели на работа на тези мрежи: увеличаване загубите на мощност и енергия в елементите на мрежата, влошаващи режима на напрежението на изводите на електроконсуматорите, неправилна работа на устройствата на релейната защита и автоматиката, претоварване и допълнително нагряване и като следствие, ускоряване на износването на електрооборудването, в частност на асинхронните двигатели, намаляване на пропускателната способност на линиите, трансформаторите и на коефициента на мощността () за сметка на пулсиращата мощност и т.н.

 

За нормализация на положението, съгласно стандартите у нас и в чужбина, се установяват гранично допустими показатели на несиметрията на напрежението, които трябва да бъдат осигурени при проектиране и експлоатация на трифазните електрически мрежи.

 

По такъва начин възниква задачата за оценката на несиметрията на напржението и на тока и в случай на нейната недопустимост да се приложат специални мерки за нормализиране на параметрите на работния режим. Към такива мерки се отнасят: използване освен на основното оборудване и специални допълнителни симетриращи устройвста, изменение на параметрите на елементите на разпределителните мрежи (например, увеличаване сечението на проводниците, изменение схемата на съединение на намотките на разпределителните трансформатори и т.н.) и други.

 

Изборът на най-целесъобразните методи и средства за нормализация на параметрите на режима трябва да се извършва на основите на съответния технико-икономически анализ. Изходните данни за такъв анализ зависят от предназначението на мрежата, нейното конструктивно изпълнение, характера на изменение на товара и т.н.

 

Разглеждаме най-често характерните условия. В общия случай възникването на несиметрия на напрежението в трифазните електрически мрежи се обуславя от различни причини: – несиметричен товар във фазите на мрежата; – непълнофазни режими на работа на трифазната мрежа; – несиметрични параметри на фазите на мрежата.

 

Несиметрията на параметрите на фазите на линията практически се проявява във въздушните линии високо напрежение [ВН](от порядъка на стотици kV).

 

Към непълнофазни режими се отнасят, например тези при прекъсване (изключване) на една от фазите на въздушна линия. Такъв режим обикновено не е продължителен. Той се проявява при извършване на ремонтни работи на повредената фаза.

 

Несиметрията на напрежението, възникваща поради несиметричен товар във фазите е свързана с промишлените, градски и селски мрежи с напржение от 6 до 20 kV (мрежи средно напрежение [СН]) и напрежение до 1000 V (условно мрежи ниско напрежение [НН]). За тези мрежи практически може да се счита, че параметрите им са симетрични и не отчитат отклоненията на отделните фази на линиите и трансформаторите.

 

Анализът на несиметрията на параметрите на режима е необходимо да се извършва отделно за мрежите с разлино предназначение, което е свързано с различните условия на тяхната работа. Поради това се налага да се разглеждат отделно промишлените мрежи от градските и селски мрежи. Това е свързано с обстоятелството, че тези мрежи се различават както по причините за възникване на несиметрията на напрежението и на тока, така и по мероприятията за премахване на последната.

 

Промишлени мрежи

 

Трифазните мрежи СН и мрежите НН основно се изпълняват трипроводни. Четирипроводни се изпълняват трифазните мрежи НН, захранващи осветителни консуматори и маломощни електродвигатели.

 

Дължината на тези мрежи обикновено не е голяма, електроконсуматорите с голяма мощност се разпределят относително равномерно между отделните фази на мрежата. В случай на необходимост преразпределението на товара може да бъде лесно осъществено. Затова в тези мрежи практически не възниква значителна несиметрия на напрежението.

 

В триповодните трифазни мрежи несиметрия на напрежението предизвикват преди всичко еднофазните консуматори с относително голяма мощност, обуславяща се от напрежението и тока с обратна последователност (основен показател на несиметрия в тези мрежи е напрежението с обратна последователност ). С оглед осигуряване на приемливи условия на работа на електропотребителите в разпределителните мрежи се допуска сравнително малка стойност на (не повече от 2% [1]). В трифазните четирипроводни мрежи НН, несиметрията се оценява чрез напрежението с нулева последователност .

 

Диапазонът на мощностите на еднофазните консуматори, присъединени към промишлените мрежи е голям – от стотици kW (консуматорите се захранват от мрежи СН и НН) до десетки MW (захранват се от мрежи ВН).

 

Еднофазни се изпълняват много електротермични уредби, които в зависимост от конструктивните или технологични особености не могат да бъдат изпълнени трифазни или имат в трифазно изпълнение много нисък КПД (индукционни леярни и нагревателни пещи, заварочни агрегати и др.).

 

В редица трифазни уредби, например в трифазните електродъгови пещи, натоварването на отделните фази в определен стадий на технологичния процес е съществено различно. При това изменение товарът има случен характер. Едновременно с несиметрията възниква колебание на напрежението, поява на висши хармоници в токовете и напреженията.

 

В зависимост от технологичните условия в промишлените мрежи може да възникне несиметрия на напрежението от различен характер: неизменна за продължителен период от време и променлива във времето (т.е. изменяща се през относително неголям интервал от времето).

 

Характерът на възникващата несиметрия определя мероприятията за нейното понижаване.

 

Практически неизменна несиметрия на напрежението възниква в мрежи с относително стабилен график на изменение на натоварването на фазите. Такива условия са характерни, например при наличие на еднофазни електротехнически уребди с уравновесен режим на работа. Тук следва да се различават два случая: – броят на еднофазните уредби е кратен на броя на фазите на мрежата, при това несиметрия на товара възниква само в периода на изключване на отделни уредби, например при извършване на ремонтни работи (тези периоди могат да бъдат достатъчно дълги); – броят на еднофазните уредби не е кратен на броя на фазите на мрежата, например в трифазната мрежа са включени една или две еднофазни уредби.

 

В разглежданите мрежи нормализация на мрежите може да бъде осигурена с използване на симетриращи устройства с използването на реактивни елементи, които могат да бъдат едновременно източници на реактивна мощност.

 

Изменението на напрежението в промишлените мрежи може да бъде в отрицателна и положителна посока, затова е целесъобразно в схемите на симетриращите устройства да се използват разноименни реактивни елементи. Тогава възелът от веригата с несиметричен товар, може да работи както в консуматорен, така и в генераторен режим.

 

Схемите на симетриращите устройства могат да бъдат реализирани с различен брой и начин на свързване на реактивните елементи. Техният избор може да се извърши както по аналитичен, така и по графо-аналитичен метод.

 

В доклада, поради ограничения обем, се разглежда избор на симетриращи устройства само по аналитичен метод.

 

Необходимостта и степента на симетрирането се определя съгласно с [1], в съответствие с който коефициентът на несиметрия в точката на включване на еднофазния консуматор не трябва да превишава 2%. Той се определя с израза:

 

,    (1)

където и са симетричните съставки на напреженията с права () и обратна последователност ().

 

Вместо обикновено се използва стойността на номиналното напрежение , тъй като в повечето от случаите те се отличават незначително.

 

На практика по удобен за определяне на коефициента на несиметрията на напрежението е изразът:

 

,    (2)

 

където е мощността на късо съединение на мрежата в мястото на включване на консуматора; – мощност на еднофазния консуматор.

 

Приемаме еднофазният консуматор да е включен към линейното напрежение на мрежата , а коефициентът на мощността му да е , (). В случая товарната пулсираща мощност [2] е:

 

, (3)

 

където: е фазата на напрежението на консуматора; – фазовата разлика между напрежението и тока.

Приемайки , намираме фазите на линейните напрежения:

 

; ; .

 

Тогава положението на вектора е:

. (4)

 

Режимът е симетричен, ако пулсиращата мощност в мрежата е равна на нула. Векторът може да се компенсира, ако в мрежата се включи еднофазен елемент, който да създава сумарен вектор , равен на големината и намиращ се по отношение на него в противофаза:

 

.     (5)

Фазите на пулсиращите мощности (в градуси), при включване на реактивни симетриращи устройства към линейните напрежения , , са:

 

     Табл.1.

напрежение	симетриращ елемент
	индуктивност	капацитет

 

 

На векторната диаграма (фиг.1) са показани полуокръжностите на възможните положения на векторите на пулсиращите мощности на реактивните елементи при включването им към разлините линейни напрежения, където C е капацитивен елемент, а L – индуктивен елемент.

 

Нека векторът на пулсиращата мощност на товара да сключва ъгъл: . Векторът на пулсиращата мощност на симетриращото устройство трябва да е с посока по оста , т.е. ъгълът да е: .

 

 

Фиг.1.

 

Както следва от фигурата, симетрирането в този случай може да се осъществи по един от трите варианта: 1. вклюване на индуктивен елемент с мощност към напрежение ; 2. вклюване на капацитивни елементи към линейните напрежения или при мощност на всеки елемент ; 3. комбинирано вклюване на елементите L и C при съблюдаване на условието за симетриране .

 

Последният вариант е за предпочитане, защото дава възможност за повишаване на коефициента на мощността на мрежата и регулиране на напрежението.

 

На фиг.2 е дадена принципната схема на включване на еднофазен товар и симетриращите елементи с мощности и за случая на комбинирано симетриране.

 

 

Фиг.2.

 

На фиг.3 е дадена векторната диаграма на пулсиращата и симетриращата мощности, където: – пулсираща мощност на еднофазния товар, включен към линейното напрежение ; – резултантният вектор на симетриращата мощност, съгласно варианта на включване на симетриращите елементи: 1 – индуктивност при включване на напрежението (); 2 – капацитет при включване на напреженията и ( и ); 3 – индуктивност при включване на напрежението () и капацитет при включване на напреженията и ( и ).

 

Включването на всяка секция се извършва поотделно в зависимост от изменението на товара и съответното изменение на пулсиращата мощност.

 

 

Фиг.3.

 

Ефектът от регулиране на напрежението с помощта на симетриращото устройство се определя от изменението на параметрите на индуктивния и капацитивни елементи.

 

При понижаване на напрежението се включват кондензаторите, при повишаване – индуктивността, а при увеличаване на еднофазния товар се включват всички симетриращи елементи независимо от нивото на напрежението. Възможният диапазон на регулиране се определя от допустимата граница на симетриране .

 

Изводи

 

Внедряването на симетриращи устройства позволяват да се получат редица преимущества:

 

1.       Увеличаване на срока на работа на електродвигателите.
2.       Повишаване на пропускната способност на линиите и трансформаторите.
3.       Понижаване на загубите в линиите и трансформаторите.
4.       Намаляване на консумацията на електроенергия от токоприемниците в заводите.
5.       Увеличаване коефициента на мощността на електроуредбите.
6.       Увеличаване срока на служба на лампите и повишаване на качествените показатели на осветителните уредби за сметка регулиращия ефект на симетриращите устройства, намаляващи отклоненията на напрежението в мрежата.

 

 

Литература

 

[1] БДС 106 94 – 80. Норми за показатели за качеството на електрическата енергия при приемниците.

[2] Мельников Н. А. Реактивная мощность электрических сетях. “Энергия”, Mосква,1975.