Опыт эксплуатации влияние несимметрии нагрузки на работу

Опыт эксплуатации влияние несимметрии н агр уз ки на р аб оту электрических сетей и
потребителей электроэнергии
Абдуллазянов Э.Ю., к.т.н., зам. генерального директора по инвестициям,
Васильев Ю.А., зам. технического директора по эксплуатации,
Маклецов A.M., к.т.н., зам. начальника ПТО
(ОАО "Сетевая компания")
Шайхутдинов Ф.Т., главный инженер филиала ОАО "Сетевая компания"
- Приволжские электрические сети
Приведена оценка влияния несимметрии фазных нагрузок на показатели качества электроэнергии. Показана
эффективность использования трансформаторов с симметрирующей обмоткой, включенной в нулевой провод для
снижения несимметрии напряжений.
Несимметрия фазных нагрузок существенно влияет на регламентируемые ГОСТ 13109-97 показатели
качества электроэнергии - установившееся отклонение напряжении и коэффициенты несимметрии
напряжения по обратной и нулевой последовательности. Основная масса коммунально-бытовых
потребителей относится к категории однофазных. В настоящее время наблюдается рост количества и единичной мощности однофазных электроприемников (стиральные машины, нагревательные приборы и т.д.).
Причем время их включения непредсказуемо, что в принципе исключает возможность наличия одинаковой
нагрузки всех трех фаз. На рис. 1 представлен суточный график пофазного потребления активной мощности
многоквартирного дома, в котором к каждой фазе присоединено практически одинаковое количество
однотипных квартир.
Как видно из рисунка, в некоторые отрезки времени нагрузки отдельных фаз отличаются друг
от друга в три раза. Соответственно, в три раза будут отличаться падения напряжений в питающей
сети, что может привести к несоответствию напряжений ГОСТ 13109-97, регламентирующему
установившееся отклонение напряжения с 95%-ой вероятностью, не превышающее + 5% от
номинального напряжения. А это значит, что если в течение времени наблюдения (не менее 24 часов)
суммарное время выхода напряжения за указанные пределы составит более 72 минут, то потребляемая
электроэнергия не соответствует нормированным показателям качества .
Значительное влияние на несимметрию напряжений оказывает сопротивление нулевого
провода. На рис. 2 показаны схемы подключения несимметричной нагрузки при исправном нулевом
проводе (а) и при его обрыве (б). Если в первом случае несимметрия напряжений будет
обусловлена, в основном, различными падениями напряжения в фазных обмотках
трансформатора и проводниках, то во втором случае линейное напряжение Uac будет приложено к
последовательно включенным фазным нагрузкам фаз А С, отличающимся друг от друга в 3 раза,
(фаза В на рисунке не показана). При этом напряжение у потребителей фазы А будет составлять около 285
В, а у потребителей фазы С - 95 В.
Обрыв нулевого провода при несимметричной нагрузке является наиболее частой причиной
выхода из строя электроприемников потребителей из-за высокого напряжения.
Следует отметить, что не только обрыв, но и увеличение сопротивления нулевого провода
(например, из-за окисления контактных соединений) увеличивает перекос фазных напряжений при
несимметричной нагрузке. Отсюда следует необходимость контроля сопротивления петли "фазаноль".
При наличии несимметричной нагрузки появляются дополнитель ные потери электроэнергии
как в нулевом проводе, так и в проводах фаз. Кроме того, увеличиваются потери и в питающем
трансформаторе из-за нагрева его бака магнитными потоками нулевой последо вательности.
Эффективным средством снижения несимметрии напряжений и обеспечения требований ГОСТ
13109-97 является использование трансформаторов с симметрирующей обмоткой, включенной в нуле вой провод. В литературе [2] показана эффективность использования таких трансформаторов с точки
зрения снижения потерь электроэнергии как в самих трансформаторах, так и в питаемых ими
электрических сетях. Оценка эффективности основана на измерениях потерь короткого замыкания и
расчетах с использованием метода симметричных составляющих. Для оценки влияния трансформатора с симметрирующим устройством (СУ) на степень несимметрии фазных напряжений и определения снижения
полных потерь в трансформаторах в Приволжских сетях ОАО "Сетевая компания" были произведены
соответствующие измерения. В качестве экспериментальной базы использовалась схема хозяйственных нужд
подстанции "Аэропорт" Приволжских электрических сетей ОАО "Сетевая компания" (см. рис. 3). В качестве
испытуемых трансформаторов использовались трансформаторы типа ТМГ 160 кВА 10/0,4 и ТМГ су 160 кВА
10/0,4.
Схема измерения строилась по принципу измерения мощности, подаваемой на трансформатор и
снимаемой с трансформатора. Разница мощностей представляет значение потерь. Мощность, подаваемая на
трансформатор, определялась по данным АИИСКУЭ ПС "Аэропорт" за вычетом потерь в питающей
кабельной линии 10 кВ. Отдаваемая мощность (0,4 кВ), напряжения и токи фаз, среднего фазного тока I,,
ток нулевой последовательности измерялись с помощью прибора "Энергомонитор 3.3" с метрологическими
характеристиками для измерения показателей качества электроэнергии, соответствующими требованиям
ГОСТ 13109-97
Задание несимметрии нагрузки выполнялось временным переключением отопительных приборов на фазу
А 0,4 кВ, а также подключением дополнительной нагрузки в виде тепловентиляторов - 10 шт. общей
мощностью до 20 кВт. Суммарное потребление составляло 115 кВт.
Результаты измерений показали значительную компенсацию несимметрии напряжений
трансформатором с симметрирующими обмотками (рис. 4).
Как видно из рисунка, разность потерь мощности в сравниваемых трансформаторах
существенно зависит от степени несимметрии нагрузки. При 10Д = 0,25 при нагрузке 115 кВт эта
разность составит 2,35%, т.е. 2,7 кВт. Если принять число часов использования указанной выше нагрузки
2000 ч. в год, то снижение потерь электроэнергии составит 5405 кВт-ч/год. Тогда только за счет снижения
потерь электроэнергии в самих трансформаторах разница в их стоимости окупится менее чем за 1,5
года.
Еще одним положительным фактором использования рассматриваемых трансформаторов является
повышение надежности электроснабжения по следующим причинам:
• Трансформаторы с симметрирующими обмотками не перегреваются потоками нулевой
последовательности при несимметричной нагрузке, что уменьшает вероятность их повреждения.
• Трансформаторы с симметрирующими обмотками имеют в три раза меньшее, чем обычные,
сопротивление нулевой последовательности. При этом возрастает величина токов однофазных коротких
замыканий, что обеспечивает более надежное их отключение.
Поэтому для оценки эффективности применения рассматриваемых трансформаторов целесообразен расчет
снижения вероятностного ущерба из-за отказов оборудования (затраты на восстановление поврежденного
оборудования, ущерб от недоотпуска электроэнергии).
Однако главным результатом применения трансформаторов с симметрирующими обмотками является
значительное расширение возможности обеспечения нормируемых показателей качества электроэнергии установившегося отклонения напряжения и коэффициента его несимметрии.
Выводы:
1. Трансформаторы с симметрирующими обмотками позволяют в значительной степени компенсировать
несимметрию напряжений по фазам. Однако выполнение требования ГОСТ 13109-97 по нормально
допустимому коэффициенту несимметрии (2%) возможно только при определенной степени несимметрии
нагрузки. В рассматриваемом случае значение \J\Q не должно превышать 0,19 (см. рис. 2).
Поэтому использование трансформаторов с симметрирующими обмотками не исключает необходимости
выравнивания нагрузок путем равномерного распределения их по фазам.
2. При наличии однофазных нагрузок (жилищно-коммунальный сектор, предприятия торговли и
т.д.) для обеспечения требований ГОСТ 13109-97 и осуществления обязательной сертификации
электроэнергии целесообразно использование только трансформаторов с симметрирующими обмотками,
компенсирующих изменяющуюся во времени несимметрию фазных напряжений.
Литература
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. А. Сердешнев, И. Протсовицкий, Ю. Леус, П. Шумера. Симметрирующее устройство для
трансформаторов. Средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ. // Новости электротехники - 2005. - №31. - С. 69-71.