Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кв с помощью трансформаторного симметрирующего устройства

1   2

содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации.

В первой главе «Потери мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке» рассмотрены методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях 0,38 кВ при несимметричной системе токов.

Большой вклад в разработку методов расчёта потерь мощности и энергии в электрических сетях при несимметричной нагрузке, способов и средств для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ сделали следующие учёные: С.М. Рожавский, А.К. Шидловский, А.Н. Милях, В.Г. Кузнецов, И.В. Жежеленко, Ф.Д. Косоухов, И.В. Наумов, Н.М. Попов, В.Э. Воротницкий,
Н.А. Мельников, А.П. Сердешнов, Л.А. Солдаткина и другие.

Наибольшее распространение в технической литературе получил метод расчёта потерь мощности и энергии в электрических сетях при несимметричной нагрузке, основанный на методе симметричных составляющих. Так, потери мощности на любом участке сети (трансформатор, линия 0,38 кВ) характеризуются коэффициентом потерь мощности, равным отношению потерь мощности при несимметричной нагрузке Р_н к потерям мощности обусловленных токами прямой последовательности Р₁:

.

(0)

где – коэффициент обратной последовательности токов;

– коэффициент нулевой последовательности токов;

R₀, R₁ – активные сопротивления нулевой и прямой последовательности для участка сети;

I₁, I₂, I₀ – токи прямой, обратной и нулевой последовательности на том же участке сети.

Относительные значения фазных потерь напряжения на некотором участке сети определяются следующим образом:

(0)

где – комплексы фазных потерь напряжения на участке сети;

– комплекс фазной потери напряжения прямой последовательности на участке сети;

, – комплексные коэффициенты обратной и нулевой последовательности токов: ;;

– комплексы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей;

– комплексный множитель поворота вектора на 120­⁰.

Во второй главе «Трансформаторные симметрирующие устройства» рассмотрены наиболее надёжные в эксплуатации, простые по конструкции устройства для симметрирования однофазных нагрузок, выполненные на базе трёхфазных трансформаторов. Сведения о них получены в результате патентных исследований изобретений. Критериями оптимальной конструкции трансформаторного симметрирующего устройства (ТСУ) является: минимальная мощность трансформатора и симметрирующих элементов; простота конструкции ТСУ; многофункциональность симметрирующего устройства; простота регулирования параметров симметрирующих элементов.

Этим критериям удовлетворяет трансформаторное симметрирующее устройство с двумя емкостными симметрирующими элементами (рис. 1)

В этом ТСУ применён трёхфазный силовой трансформатор, первичные обмотки которого с числом витков соединены в звезду. Вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков соединены по специальной схеме: обмотки фаз a и b включены последовательно и встречно, а обмотка фазы с, с последовательно подключённым к ней конденсатором С₁, подключена последовательно и согласно с обмоткой фазы а. Таким образом, все три вторичные обмотки трансформатора включены последовательно. К выходным зажимам вторичных обмоток ab подключены параллельно конденсатор С₂ и однофазная нагрузка Z_н.



Рис. 1. Принципиальная схема трансформаторного симметрирующего устройства с двумя емкостными симметрирующими элементами

При изменении сопротивления однофазной нагрузки емкости конденсаторов С₁ и С₂ должны изменяться чтобы ток нагрузки преобразовался в симметричную трёхфазную систему токов первичной цепи трансформатора.

К достоинствам этого ТСУ относятся:

1. Симметрирующее устройство является многофункциональным, а именно:
   

• оно трансформирует напряжение до значения необходимого однофазной нагрузке;
  
• преобразует ток однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов на входе трансформатора;
  
• так как во вторичной цепи трансформатора в качестве симметрирующих элементов используются два конденсатора, это ТСУ является одновременно компенсатором реактивной мощности однофазной нагрузки.
  

2. Использование симметрирующих элементов с малыми потерями активной мощности даёт основание утверждать, что КПД этого ТСУ практически равно КПД трансформатора.
   
3. Данное ТСУ отличается от других симметрирующих устройств простотой конструкции.
   

Учитывая существенные преимущества трансформаторного симметрирующего устройства с двумя емкостными симметрирующими элементами перед другими симметрирующими устройствами, рассмотренными в диссертации, нами принято решение провести дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этого ТСУ.

В главе 3 «Анализ трансформаторного симметрирующего устройства» приведены теоретические исследования данного ТСУ. Целью анализа ТСУ является выяснение принципиальной возможности симметрирования однфазной нагрузки, т.е. преобразование однофазного тока в симметричную трёхфазную систему токов на входе трансформатора.

При анализе ТСУ приняты следующие допущения:

1. Трансформатор принимаем совершенным (идеальным), поэтому при любой нагрузке его комплексный коэффициент трансформации по напряжению
   

,

(0)

где – комплексы фазных напряжений первичной обмотки трансформатора; - комплексы фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

2. Потерями в конденсаторных батареях пренебрегаем, т.е.
   

   .

   (0)

3. Однофазная нагрузка имеет индуктивный характер.
   

   .

   (0)

4. Трёхфазная система напряжений на входе трансформатора симметрична. Направив по вещественной оси вектор фазного напряжения , запишем комплексы фазных напряжений первичной обмотки трансформатора:
   

(0)

Задаёмся направлениями токов во всех ветвях схемы (рис. 1) и составляем уравнения в комплексной форме.

На основании закона равновесия МДС вдоль замкнутого контура трансформатора имеем:

; .

(0)

Остальные уравнения составляем по законам Кирхгофа:

Решая систему уравнений (7), (8) относительно первичных токов I_А, I_В, I_С трансформатора с учётом выражений (3) – (6), получаем следующую систему уравнений с тремя неизвестными I_А, I_В, I_С:

(0)

Систему уравнений (9) решаем с помощью матриц, получаем искомые токи:

	(0)
	(0)
	(0)

Разложим систему токов (10) – (12) на симметрирующие составляющие I₁, I₂, I₀.

Система токов в первичной цепи трансформатора будет симметричной при условии, если I₂=0, так как ток нулевой последовательности при соединении обмоток звездой отсутствует.

Приравняв к нулю, получим:

(0)

Подставив в уравнение (13) значения комплексных сопротивлений Z₁ и Z и приравняв к нулю вещественную и мнимую части этого уравнения, получим два уравнения с двумя неизвестными X₁ и X₂ (реактивные сопротивления симметрирующих элементов):

(0)

В результате решения уравнений (14) находим сопротивления симметрирующих элементов:

	(0)
	(0)

Из выражений (15), (16) следует, что при изменении угла _н нагрузки в диапазоне от 30⁰ до 90⁰ (), оба симметрирующих элемента ТСУ имеют емкостный характер. При _н=30⁰ Х₂=∞, т.е. симметрирование однофазной нагрузки осуществляется при наличии в схеме одного элемента. При углах _н<30⁰ симметрирование возможно при условии, если второй элемент будет иметь индуктивный характер.

Используя уравнения (10) – (12) с учётом выражений (3) – (8) и (15), (16) определим токи трансформатора и симметрирующих элементов, напряжения на вторичных обмотках трансформатора и на конденсаторных батареях, а также комплексные мощности трансформатора, однофазной нагрузки и симметрирующих элементов (табл. 1).

На основании аналитических выражений для ТСУ (табл. 1) на рис. 2 построена векторная диаграмма, раскрывающая принцип действия симметрирующего устройства.



Рис. 2. Векторная диаграмма для ТСУ-1 при номинальной нагрузке,_н=30⁰, n=1 (I₂=0)

За базисные величины приняты номинальный ток однофазной нагрузки
I_б= I_н(ном) и фазное напряжение первичной обмотки трансформатора U_б=U_ф.

Как видно из векторной диаграммы для ТСУ-1 и разложения несимметричной системы токов во вторичных обмотках трансформатора на симметричные составляющие (приведено в диссертации), в симметрирующем устройстве происходит двойное преобразование тока однофазной нагрузки в симметричную трёхфазную систему токов на входе ТСУ. Во вторичной обмотке трансформатора с помощью специальной схемы включения обмоток и двух симметрирующих конденсаторов ток однофазной нагрузки преобразуется в трёхфазную несимметричную систему токов. Разложение этой системы токов на симметричные составляющие показывает, что ток обратной последовательности в этой трёхфазной несимметричной системе отсутствует.

Таблица 1

Аналитические выражения для ТСУ-1

Название физической величины	№ п/п	Формула
1	2	3
Сопротивления симметрирующих элементов	1	;
2	.
Система токов первичной цепи трансформатора	3	;
4	;
5	.
Токи симметрирующих элементов	6	;
7
Система токов во вторичных обмотках трансформатора	8	;
9	;
10	.
Ток однофазной нагрузки	11	;
Напряжения на вторичных обмотках трансформатора	12
Напряжения симметрирующих элементов	13
Комплексная мощность однофазной нагрузки	14
Комплексная мощность симметрирующих элементов	15
16
Комплексная мощность трансформатора	17
Ёмкости конденсаторных батарей	18	;
19	.

В результате, в первичную обмотку трансформатора трансформируется только ток прямой последовательности, так как ток нулевой последовательности при соединении обмоток звездой без нулевого провода отсутствует. Таким образом, вторичное преобразование в ТСУ осуществляется электромагнитным путём: на входе трансформатора при симметричной системе напряжений будет трёхфазная симметричная система токов.

В диссертации выполнен анализ второй схемы ТСУ-2 с параллельным включением конденсаторной батареи С₁ к вторичной обмотке фазы «с» трансформатора. Как видно из сравнения энергетических показателей ТСУ-1 и ТСУ-2 (табл. 2), вторая схема значительно уступает первой по установленным мощностям трёхфазного трансформатора (примерно в 2 раза) и симметрирующих элементов (на 31%).

Таблица 2

Энергетические показатели ТСУ

Наименование показателя	ТСУ-1	ТСУ-2
Диапазон симметрирования по углу нагрузки:
теоретический	300 – 900	-300 – 900
принятый для сравнения	300 – 900	300 – 900
Суммарная установленная мощность симметрирующих элементов для сравнительного диапазона симметрирования (в относительных единицах)	2,0	2,31
Коэффициент мощности ТСУ со стороны входных зажимов трансформатора ()	0,866	0,5
Угол сдвига фаз со стороны входных зажимов трансформатора	-300	-600
Установленная мощность трёхфазного трансформатора Sвх при	Sн	1,936 Sн

В главе 4 «Экспериментальное исследование трансформаторного симметрирующего устройства» приведены результаты исследования опытного образа ТСУ в лабораторных условиях.

Целью экспериментального исследования ТСУ является подтверждение работоспособности устройства и опытная проверка результатов его теоретического анализа.

Трансформаторное симметрирующее устройство выполнено на базе трёхфазного трёхстержневого трансформатора сухого исполнения (рис. 3)

Технические данные этого трансформатора приведены в табл. 3.

Для поддержания на входе ТСУ постоянного трёхфазного напряжения в схеме (рис.4) применён трёхфазный автотрансформатор АТ. С помощью трансформаторов тока ТА_ф1 и ТА_ф2 подключается к первичной цепи ТСУ фильтр симметричных составляющих токов прямой и обратной последовательностей. К вторичным зажимам «аb» подключена однофазная нагрузка, содержащая резистор R_н и катушку индуктивности L_н с плавным регулированием параметров нагрузки. Все измерительные приборы имеют класс точности не ниже 0,5.

Таблица 3

Технические данные трёхфазного трансформатора

Номинальная мощность	10 кВА
Номинальное первичное напряжение (для имеющихся ответвлений)	153, 434, 715, 1000 В
Номинальное вторичное напряжение	220 В
Номинальный ток первичной и вторичной обмоток	6,4/26,3 А
Потери холостого хода	180 Вт
Потери короткого замыкания	300 Вт
Напряжение короткого замыкания	3,5 %
Ток холостого хода при питании трансформатора со стороны обмоток низшего напряжения	2,5 А (9,5%)
КПД при	93%
Число витков первичной обмотки	143
Число витков вторичной обмотки	71

Электрическая схема экспериментальной установки изображена на рис. 4.


Рис. 3. Трёхфазный трансформатор ТСУ
Экспериментальное исследование ТСУ осуществлялось для двух режимов его работы:

1. при изменении тока однофазной нагрузки от нуля до номинального значения и постоянном коэффициенте мощности () нагрузки;
   
2. при изменении коэффициента мощности однофазной нагрузки и постоянном значении тока нагрузки.
   

В обоих режимах определялись зависимости параметров симметрирующих элементов, а также токов, напряжений и мощностей первичных и вторичных цепей ТСУ. Полное симметрирование однофазной нагрузки определялось с помощью фильтра симметричных составляющих токов. Система токов первичной цепи ТСУ будет симметричной при отсутствии тока обратной последовательности, которая достигалась поочерёдным изменением емкостей С₁ и С₂ конденсаторных батарей.

В качестве примера в табл. 4 приведены результаты экспериментального исследования ТСУ. В диссертации проведено всего около десяти экспериментов. В каждой таблице приведены опытные данные и расчётные данные, полученные по аналитическим выражениям для ТСУ (табл. 1). Кроме того, произведены вычисления по опытным данным: коэффициента обратной последовательности первичных токов К_2i; коэффициента обратной последовательности системы первичных напряжений К_2U; КПД трансформатора; соотношение мощностей трансформатора и однофазной нагрузки S_т/S_н; реактивные мощности конденсаторов Q₁ и Q₂.

По опытным и расчётным данным построены графики зависимостей емкостей симметрирующих элементов ТСУ от тока нагрузки (рис. 5), а также реактивной мощности этих элементов и токов ТСУ от коэффициента мощности нагрузки (рис. 6 и 7).






Рис. 5. Зависимости емкостей симметрирующих элементов ТСУ от тока однофазной нагрузки при ;

––––––– расчёт, - - - - - - опыт.
Из этих графиков видно, что по характеру опытные и расчётные данные одинаковы. Это подтверждает правильность результатов анализа ТСУ. Некоторое различие по величине опытных и расчётных величин объясняется тем, что в расчётах принят идеальный трансформатор, а в опыте применён трансформатор с потерями и магнитными потоками рассеяния. Тем не менее, в целях упрощения методики анализа ТСУ целесообразно принимать трансформатор идеальным.

Рис. 6. Зависимости реактивной мощности симметрирующих элементов ТСУ от при Iн=3 А –––– расчёт, - - - - - опыт.

Рис. 7. Зависимости токов ТСУ от при Iн=4 А –––– расчёт, - - - - - опыт.

В пятой главе «Основы методики расчёта экономического эффекта от снижения потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ» приведён метод расчёта снижения потерь электроэнергии в сетях за счёт снижения несимметрии токов и за счёт компенсации реактивной мощности и расчёт экономического эффекта от снижения потерь.

Применение трансформаторных симметрирующих устройств в сельских сетях 0,38 кВ позволяет снизить потери мощности и электроэнергии за счёт симметрирования режима трёхфазной сети и за счёт компенсации реактивной мощности.

Снижение потерь электрической энергии , обусловленное уменьшением коэффициентов обратной К_2i и нулевой К_0i последовательностей токов в линии
0,38 кВ и трансформаторе потребительской ТП, определяется по формуле:


Таблица 4

Результаты исследования ТСУ при I_н=var, φ_н=30º=const

	Опытные данные	Расчётные данные
Первичная цепь	IA	А1	A	1,5	1,25	1	0,5	1,43	1,15	0,86	0,57
IB	А2	A	1,5	1,25	1	0,5	1,43	1,15	0,86	0,57
IC	А3	A	1,5	1,25	1	0,5	1,43	1,15	0,86	0,57
K2i		%	0,00	0,00	0,00	0,00
φвх	φ1	град	-5	6	5	4	-5	6	5	4
Pw1	w1	Вт	320	270	200	130
Pw2	w2	Вт	240	200	170	140
P		Вт	560	470	370	270	566	455	328	222
UA	V2	В	130	130	126	126	131	131	126	127
UB	V2	В	130	130	124	126	131	131	126	127
UC	V2	В	134	134	128	128	131	131	126	127
UAB	V2	В	226	228	220	224	229	230	221	224
UBC	V2	В	232	233	222	225	229	230	221	224
UCA	V2	В	228	230	222	223	229	230	221	224
K2u		%	1,55	1,26	0,60	0,52
η		о.е.	0,87	0,83	0,84	0,74	0,86	0,86	0,86	0,85
Вторичная цепь	Ua	V3	В	65	65	63	63	65,2	65,2	62,6	62,9
Ub	V4	В	64	65	62	63	65,2	65,2	62,6	62,9
Uc	V5	В	69	69	67	66	65,2	65,2	62,6	62,9
Iс/Iа			1,49	1,40	1,39	1,40	1,73	1,73	1,73	1,73
Ia=Ib	А4	A	2,65	2,15	1,65	1,07	2,50	2,00	1,50	1,00
Ic	А5	A	3,95	3	2,3	1,5	4,33	3,46	2,60	1,73
Конденсатор С2	Q2		вар	0	0	0	0	0	0	0	0
U2	V6	В	114	114	111	112	112,9	112,9	108,4	108,9
I2	А6	A	0	0	0	0	0,00	0,00	0,00	0,00
C2		мкФ	0	0	0	0	0,00	0,00	0,00	0,00
Конденсатор С1	Q1		вар	559	406	322	204	565	452	325	218
U1	V7	В	134	134	134	134	130,4	130,4	125,1	125,8
I1	А7	A	4,17	3,03	2,4	1,525	4,33	3,46	2,60	1,73
C1		мкФ	97	70	55	35	105,7	84,6	66,1	43,9
Однофазная нагрузка	Uн	V6	В	114	114	111	112	112,9	112,9	108,4	108,9
φн	φ2	град	30	30	30	30	30	30	30	30
Рн	w3	Вт	485	390	310	200	489	391	282	189
IR	А9	A	4	3,3	2,5	1,65
IK	А10	A	4,35	1,9	1,5	1
IH	А8	A	5	4	3	2	5	4	3	2
cosφн			0,866	0,866	0,866	0,866	0,866	0,866	0,866	0,866
	Sт/Sн							1,005	1,013	1,014	1,021

(0)

где – потери электроэнергии в сети до симметрирования

,

(0)

– потери электроэнергии в той же сети при симметричном режиме;

К_рн, К_рк – коэффициенты потерь мощности до симметрирования и после снижения несимметрии токов, определяются по формуле (1).

Снижение потерь электроэнергии в сети 0,38 кВ , обусловленное компенсацией реактивной мощности

,

(0)

где – потери электроэнергии в сети до компенсации реактивной мощности

,

(0)

–потери электроэнергии в сети при полной компенсации, т.е. при ;

–

(0)

коэффициенты потерь мощности до компенсации и после неё;

– значение коэффициента мощности сети до компенсации и после неё.

Действительное снижение потерь электроэнергии от использования ТСУ определяется с учётом потерь электроэнергии в ТСУ ():

.

(0)

Абсолютный годовой экономический эффект от внедрения ТСУ за счёт уменьшения несимметрии токов и компенсации реактивной мощности определяется по формуле:

, тыс. руб.,

(0)

где К – затраты на внедрение ТСУ (тыс. руб.), включающие стоимость самого ТСУ и затраты на научные исследования и опытно-конструкторские разработки,

Т_ок – срок окупаемости

, лет,

(0)

где З_э – удельные затраты на потери электроэнергии;

– относительные издержки на амортизацию и обслуживание в %.

общие выводы

1. Несимметрия напряжений в сельских сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками во многих случаях превышает в 2…2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение. При этом потери мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ возрастают на 30-50% по сравнению с симметричным режимом.
   
2. Для снижения потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ путём симметрирования однофазных нагрузок рекомендуется применять трансформаторные симметрирующие устройства, обладающие следующими достоинствами перед существующими симметрирующими трансформаторами;
   

• обладают многофункциональностью (трансформируют напряжение, преобразуют ток однофазной нагрузки в трёхфазный симметричный ток, компенсируют реактивную мощность в сети);
  
• имеют номинальную мощность трансформатора в 3 раза меньшую по сравнению с типовыми симметрирующими трансформаторами при одинаковой номинальной мощности однофазной нагрузки.
  

3. Разработан метод теоретического анализа трансформаторных симметритрующих устройств, применение которого позволяет получить математические выражения для расчета параметров симметрирующих элементов, токов, напряжений и мощностей трансформатора и симметрирующих элементов.
   
4. С помощью векторных диаграмм, построенных для трансформаторного симметрирующего устройства, раскрыт механизм преобразования тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов.
   
5. В результате теоретического анализа двух схем трансформаторного симметрирующего устройства на основании сравнения энергетических показателей выбрана схема для практического применения.
   
6. Экспериментальные исследования ТСУ показали:
   

• работоспособность симметрирующего устройства;
  
• совпадение по характеру экспериментальных и теоретических характеристик;
  
• правильность метода теоретического анализа трансформаторных симметрирующих устройств.
  

7. В результате выполненных расчётов установлено, что включение однофазной нагрузки через трансформаторное симметрирующее устройство на линейное напряжение, потери мощности в линии 0,38 кВ сокращаются в 3 раза, а на фазное напряжение – в 6 раз, по сравнению с непосредственным включением нагрузки в сеть.
   

Основные материалы диссертации опубликованные в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Косоухов Ф.Д., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Показатели несимметрии токов и напряжений в сельских электрических сетях 0,38 кВ // Известия СПбГАУ: ежеквартальный научный журнал/[Гл. ред. М.В. Москалёв] – 2008. – №11. С. 238-243.
   
2. Косоухов Ф.Д., Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Метод расчёта показателей несимметрии напряжений и токов в сетях 0,38 кВ // Известия вузов. Электромеханика. Спец. выпуск. – 2008. С. 156-159.
   
3. Филиппов А.О. Экспериментальное исследование трансформаторного симметрирующего устройства // Известия СПбГАУ: ежеквартальный научный журнал/[Гл. ред. М.В. Москалёв] – 2010. – №19. C. 364 – 368.
   

В других изданиях научных трудов

4. Косоухов Ф.Д., Кулагин С.А., Филиппов А.О. Энергосбережение в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке // В сб.: Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: материалы II международной научно-практической конференции 5-7 декабря 2007 г. – Волгоград. ВГСХА-2008. – С. 125-130.
   
5. Косоухов Ф.Д., Филиппов А.О. Метод анализа схем трансформаторного симметрирующего устройства // В сб. Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий. - СПб.: СПбГАУ. - 2008.-С.13-18.
   
6. Филиппов А.О. Электоснабежние сварочных трансформаторов через трансформаторное симметрирующее устройство // В сб. Энергетический вестник СПбГАУ. – СПб: СПбГАУ. 2010. С.91-98.
   
7. Филиппов А.О. Трансформаторный преобразователь числа фаз для питания трёхфазных электродвигателей от однофазной сети // II Всероссийский конкурс молодых специалистов инженерного профиля в области электроэнергетики. Краснодарский край, 18-22 сентября 2007 года. Работы молодых специалистов ОАО «СевЗап НТЦ». – СПб. 2007. С. 18-32.
   
8. Филиппов А.О. Трансформаторное симметрирующее устройство. Конференция молодых специалистов ОАО «Инженерный центр ЕЭС». М.: Хотьково 2008. 1 электрон. опт. диск. (CD-ROM).
   
9. Филиппов А.О. Трансформаторное симметрирующее устройство для снижения потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ // В сб. научн. трудов по материалам III этапа Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России. – Саратов: КуБиК-2010. – С. 212-217.