Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0, 38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора «звезда — звезда с нулём с симметрирующим устройством»

В сельских электрических сетях с коммунально-бытовыми нагрузками применяются в основном трансформаторы потребительских ТП со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулём», которые обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, примерно в 10 раз превышающее сопротивление прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке фаз в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию трёхфазных напряжений на выходе трансформатора. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности трансформаторов в большинстве случаев превышает в 2.2,5 раза допустимое ГОСТом 13 109−97 значение. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 25.30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30.50% по сравнению с симметричным режимом.

Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ тесно связано с проблемой снижения несимметрии токов в этих сетях.

4 июня 2008 года Президент Российской Федерации подписал указ № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» [63]. Согласно этому указу в целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечение рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом. Президент поручил Правительству Российской Федерации принять меры по техническому регулированию, направленные на повышение энергетической и экологической эффективности в электроэнергетике, строительстве и ряде других отраслей.

Данный указ Президента РФ является руководящим документом для всех электросетевых компаний России на ближайшие двенадцать лет, в течение которых предстоит повысить эффективность транспорта и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран. Это довольно сложная задача, поскольку в настоящее время потери электроэнергии в сетевом комплексе ЕЭС России составляют -15%, то есть находятся на уровне электрических сетей стран Африки. Чтобы решить аналогичную задачу Германии потребовалось тридцать лет, Япониидвадцать пять лет [12].

В Федеральном законе Российской Федерации № 261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» отмечается: «Значение целевых показателей в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».

Стратегическим направлением снижения технических потерь электроэнергии в электрических сетях являются их техническое перевооружение, модернизация, создание и внедрение новых технологий передачи и распределения электроэнергии [6].

Большой вклад в разработку методов расчёта и способов снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38кВ, повышения качества электрической энергии внесли учёные-электроэнергетики: Рожавский С. М., Шидловский А. К., Милях А. Н., Кузнецов В. Г., Жежеленко И. В., Косоухов Ф. Д., Пястолов A.A., Ерошенко Г. П., Бородин И. Ф., Сердешнов А. П., Кисель О. Б., Воротницкий В. Э., Железко Ю. С., Мельников H.A., Наумов И. В., Попов Н. М. и другие.

Исследование несимметричных режимов сельских сетей 0,38 кВ проводилось целым рядом научно-исследовательских организаций и учебных заведений нашей страны, имеется достаточно большое число публикаций по этой теме [3, 4, 7, 30, 40, 52, 53]. Однако, эти исследования носят, как правило, односторонний характер и не рассматривают проблему потерь и качества электрической энергии в целом. Так, например, повышение качества напряжения за счет снижения уровня несимметрии напряжений рассматривалось в отрыве от проблемы снижения потерь мощности и энергии в сети, и наоборот, вопросы снижения потерь не затрагивали проблему несимметрии напряжений.

Существующие симметрирующие устройства для улучшения показателей качества электрической энергии по различным причинам не нашли массового применения. В то же время анализ статистических показателей качества электрической энергии трансформаторов 10/0,4 кВ показал, что у трансформаторных подстанций коэффициенты несимметрии выше допустимых значений и они нуждаются в установке симметрирующего устройства. Поэтому проблема уменьшения несимметрии и снижения потерь в сельских сетях 0,3 8кВ при несимметричной нагрузке является актуальной. Применение трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда — звезда с нулём с симметрирующим устройством» (У/Ун СУ) может стать одним из способов её решения.

Цель работы. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора У/Ун СУ.

Задачи исследования:

1) Разработка метода расчета показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания;

2) Создание физической модели сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;

3) Проведение экспериментальных исследований потерь мощности, качества электрической энергии на физической модели сети 0,38 кВ с трансформатором У/Ун СУ и У/Ун;

4) Технико-экономические показатели применения трансформатора У/Ун СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.

Объект исследования. Электрические сети 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток У/Ун СУ.

Предмет исследования. Потери и качественные показатели электроэнергии в сетях 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток У/Ун СУ.

Методы исследования. В работе использовались метод симметричных составляющих, модульный метод расчета симметричных составляющих токов и напряжений, методы статистической оценки, теория электрических цепей, средства компьютерного моделирования.

Основные положения диссертации выносимые на защиту:

1) Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;

2) Физическая модель сельской сети для экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети с трансформаторами У/Ун СУ, У/Ун;

3) Результаты экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети;

4) Технико-экономические показатели применения трансформатора У/Ун СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ„

Научная новизна работы: 1) Разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;

2) Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ;

3) Разработана физическая модель сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;

4) Получены результаты экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/Yh СУ и Y/Yh.

Внедрение результатов исследования. Рекомендации по применению в электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками трансформатора со схемой соединения обмоток Y/YH СУ приняты к внедрению в филиале ООО «Энергоконтроль» «Гатчинское отделение».

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров-электриков по специальности 110 302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Научная апробация работы. Основные положения и результаты научной работы докладывались и обсуждались на XXX сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования» в Южно-Российском государственном техническом университете г. Новочеркасск, 24−25 сентября 2008 г., а также на научных конференциях СПбГАУ 2007;2010 г. г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 70 наименований, 8 приложений, включает 175 страниц, 36 рисунков, 53 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Основным критерием потерь мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке является коэффициент потерь мощности, равный отношению потерь мощности в сети при несимметричной нагрузке к потерям при симметричном режиме. Теоретически и экспериментально установлено в диссертации, что значение этого коэффициента для трансформатора типа ТМГСУ-25 изменяется в диапазоне от 1,0, при трёхфазной симметричной нагрузке, до 3,5 при однофазной нагрузке.

2. Разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания и проведена экспериментальная его проверка: максимальное расхождение расчётных и экспериментальных показателей несимметрии напряжения составляет:

— для коэффициента обратной последовательности напряжений 12,6%;

— для коэффициента нулевой последовательности напряжений 17%.

3. Для экспериментального исследования потерь и качества электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке разработана и смонтирована физическая модель электрической сети, включающая реальные электрические устройства: силовой трёхфазный трансформатор, линию электропередачи 0,38 кВ, узел нагрузки, содержащий несимметричную нагрузку и трёхфазные асинхронные электродвигатели. Экспериментально установлены уровни потерь мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами У/Ун и У/Ун СУ:

— минимальные потери для обоих трансформаторов имеют место при трёхфазной симметричной нагрузке — 13,4% от передаваемой мощности;

— при двухфазной нагрузке потери возрастают на 2−3% по сравнению с симметричным режимом, и составляют: в сети с трансформатором У/Ун — 15,32%- в сети с трансформатором У/Ун СУ — 15,48%;

— при однофазной нагрузке потери максимальные: в сети с трансформатором У/Ун — 27,98%- в сети с трансформатором У/Ун СУ — 22,02%.

4. Опытным путём установлено, что исследуемый трансформатор У/Ун СУ обладает рядом преимуществ по сравнению с широко применяемым в сельском хозяйстве трансформатором У/Ун:

— он позволяет снизить потери мощности и электроэнергии в трансформаторе в 1,5 раза;

— повысить качество напряжения в сети 0,3 8кВ, уменьшая коэффициент нулевой последовательности напряжений в 2−4 раза в зависимости от вида нагрузки, а отклонение напряжения — на 8−10%.

5. Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания, которая показала сходимость результатов расчёта с опытными данными.

6. Превышение стоимости трансформатора У/Ун СУ за счёт установки в нём симметрирующей обмотки над стоимостью трансформатора У/Ун составляет около 4%. Дополнительные расходы окупаются за счёт снижения потерь электроэнергии в трансформаторе, примерно, за 6 месяцев.