Материал: Лекции полнотью

где P - суммарные потери активной мощности в ПЭС. Задача вида (12.2)

относится к задачам нелинейного математического программирования Полученные таким образом графики оптимальных напряжений пере-

даются на энергообъекты (электростанции, подстанции с регулирующими устройствами), где и должны выдерживаться оперативным персоналом или автоматическими устройствами - локальными САР.

12.2. Несимметрия в электрических сетях и мероприятия по ее снижению

Причины возникновения несимметричных режимов.

Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:

-неодинаковые нагрузки в различных фазах;

-неполнофазная работа линии или других элементов а сети;

-различные параметры линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных ЭП, а в ряде случаев и трехфазных ЭП с неодинаковым потреблением в фазах.

Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегрузкой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время перегружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия).

Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройством пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого КЗ. В подавляющем большинстве устойчивые КЗ однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к сохранению двух других фаз линии в работе. В сети с заземленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварии. Уменьшение числа транспозиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и

повышает надежность. В этом случае ухудшается выравнивание параметров фаз линии, для которого обычно и применяется транспозиция.

Влияние несимметрии напряжений и токов. Появление напряже-

ний и токов обратной и нулевой последовательности U2 , U0 , I2 , I0 приводит

к дополнительным потерям мощности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I2 , I0 увеличивают

потери в продольных ветвях сети, а напряжения и токи этих же последовательностей - в поперечных ветвях.

Наложение U2иU0 приводит к разным дополнительным отклонени-

ям напряжения в различных фазах. В результате напряжения могут выйти за допустимые пределы.

Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и техникоэкономических характеристик вращающихся электрических машин.

В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проектировании увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не принимать специальные меры по симметрированию напряжения. В синхронных машинах кроме дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели и БК уменьшают выработку реактивной мощности.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом обратной

последовательности напряжений K0 U U0 1 100 . нормальное и максималь-

Uно м

ное допустимые значения, которых составляют 2 и 4 %.

Симметрирование напряжений в сети сводится к компенсации тока и напряжения обратной последовательности. При стабильном графике нагрузок снижение систематической несимметрии напряжений в сети может быть достигнуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную.

Для симметрирования однофазных нагрузок применяется схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на линейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.

Для симметрирования двух- и трехфазных несимметричных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощностями БК, включенными в тре-

угольник применяют симметрирующие устройства со специальными трансформаторами и автотрансформаторами.

Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I0 и снижения сопротивления нулевой последовательности Z0 в эле-

ментах сети. Уменьшение I0 в первую очередь достигается перераспределе-

нием нагрузок.

Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распределительного трансформатора (РТ) 6- 10/0,4 кВ. Большинство РТ, установленных в сетях, имеют схему звездазвезда с нулем (Y / Y0 ) . Такие РТ дешевле, но у них велико Z0 . Для сниже-

ния несимметрии напряжений, вызываемой РТ, целесообразно применять схемы соединения треугольник - звезда с нулем ( / Y0 ) или звезда – зигзаг

(Y / Z) . Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение

схемы Y/Z. Распределительные трансформаторы с таким соединением более дорогие, и изготовление их очень трудоемко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и Z0 ли-

ний.

12.3.Несинусаидальность в электроэнергетических системах и мероприятия по борьбе с нею

Причины возникновения несинусоидальности напряжений и токов - наличие вентильных преобразовательных установок и электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой - это, например, газоразрядные линии (ртутные и люминесцентные), распространенные в промышленных и городских сетях.

Источниками несинусоидальности в энергосистемах могут быть также генераторы или трансформаторы при работе их на нелинейной части кривой намагничивания. Как правило, генераторы и трансформаторы работают при относительно невысоком насыщении стали, то есть на линейной части кривой намагничивания, и создаваемые ими высшие гармоники настолько малы, что их можно не учитывать.

Неблагоприятное влияние несннусоидальности на работу сетей,

электрооборудования и электроприемников состоит в следующем:

-появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, а также дополнительные отклонения напряжения;

-затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью БК;

-сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи. Действующее значение напряжения, определяется по формуле:

где U : при 1 - напряжения высших гармоник, кратных гармонике основной частоты U1 ;

при N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения.

Гармоники относительно низких порядков 7 в наибольшей ме-

ре влияют на дополнительные потери мощности и энергии в электрических машинах и в линиях электрических сетей.

Несинусоидальность напряжений и токов вызывает ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей в основном в результате повышенного нагрева, а также из-за возникновения и протекания в изоляции ионизационных процессов, обусловливающих ее старение при высоких частотах электрического поля. Для электрических машин, трансформаторов и кабелей наиболее существенно тепловое старение изоляции. Влияние полей высших гармоник на ионизационные процессы в изоляции проявляется лишь при весьма значительных искажениях форм кривых напряжений, и этим влиянием можно пренебречь.

Наличие высших гармоник токов и напряжений существенно увеличивает погрешности активных и реактивных счетчиков индукционного типа. Помехи, вызываемые высшими гармониками, могут привести к ухудшению работы устройств автоматики, телемеханики и связи как на промышленных предприятиях, так и в энергосистемах. Гармоники тока, проникая в сети энергосистем, приводят к ухудшению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит.

Допустимые значения коэффициента несинусоидалыюсти кривой напряжения:

Uно м

Снижение несинусоидальности напряжений и токов необходимо в тех случаях, когда значения токов или напряжений высших гармоник больше допустимых. Целесообразность мер по понижению несинусоидальности может быть также обусловлена и улучшением технико-экономических показателей работы элементов электрических сетей и ЭП. Снижение несннусоидальности можно осуществить одним из следующих способов:

-снижением уровня высших гармоник, генерируемых вентильными преобразователями;

-рациональным построением схемы электрической сети;

-использованием фильтров высших гармоник,

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых преобразователями, можно осуществить за счет увеличения числа фаз выпрямления в преобразовательных установках (как правило, до 12) или применения специальных схем преобразователей и законов управлениями ими, обеспечивающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. сетевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения снижения несинусоидальности состоит, например, в питании нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформаторов либо подключении их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов. На рис.12.1. приведены схемы питания района города от ЦП шин низшего напряжения районной подстанции, на которой установлен трансформатор Т. Нагрузка Sц.п питается непо-

средственно от шин ЦП, а нагрузка Sр.п - от шин распределительного пункта

РП. На рис.12.1,а выпрямительная установка (ВУ) электротяговой подстанции через специальный трансформатор Тв.у присоединена к шинам РП. Если

КнсU больше допустимой величины, то для снижения несинусоидальности

надо питать ВУ от отдельной линии ЦП - РП (рис.12.1,б). Другой способ рационального построения сети состоит в применении в преобразовательных агрегатах трансформаторов с первичным напряжением 110 - 220 кВ (рис.12.1,в), исключающих влияние несинусоидалыюсти на потребителей распределительных сетей 0,38 - 10 кВ. При такой схеме сети высшие гармоники, генерируемые преобразователями, попадают с шин высшего напряжения районной подстанции сразу в питающую сеть 110 - 220 кВ (рис.12.1,в), а не в распределительную сеть 0,38—10 кВ (рис.12.1, а, б). Однако в этом случае могут появляться недопустимые напряжения гармоник в питающих сетях энергосистемы. Эффективность питания преобразователей от трансформаторов 110 - 220 кВ (рис.12.1, в) ограничивается возможностью появления недопустимых высших гармоник напряжений и токов в питающих сетях энергосистемы.

Использование фильтров - распространенный способ снижения уровня высших гармоник. За рубежом распространено мнение, что установка фильтров более экономична, чем увеличение числа фаз преобразователей. Фильтр высших гармоник представляет собой последовательно соединенные реактор и БК (рис.12.2). Параметры реактора и БК подбирают так, чтобы их результирующее сопротивление для определенной частоты гармоники было равно нулю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр. Фильтр образует ветвь с очень малым сопротивлением, параллельную элек-