Глава четвертая
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ И СЕТИ НА ЗНАЧЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В третьей главе были представлены результаты расчета несинусоидальности токов и напряжений для одного из вариантов исполнения электрической сети общественного здания. При этом установлены характерные нелинейные электроприемники и особенности построения низковольтных сетей, которые приводят к значительным искажениям синусоидальности кривых токов и напряжений во всех элементах сети НН. Очевидно, что изменение варианта исполнения сети (другие мощность и параметры трансформатора, количество, длина и сечение внешних питающих линий, стояков и линий групповой сети, наполнение помещений здания электроприемниками, очередность и тип их подключения, параметры электроприемников, доля осветительной нагрузки, доля нелинейной нагрузки и т.д.) влияет на значение искажений синусоидальности кривых токов и напряжений. В данной главе рассмотрены параметры нагрузки и сети, которые оказывают наиболее существенное влияние на форму кривых токов и напряжений сети НН.
Анализ влияния доли нелинейной нагрузки
В предыдущей главе было определено значение несинусоидальности токов и напряжений при сравнительно небольшой доле нелинейной нагрузки всей сети здания а, (в рассмотренном варианте (a1= 0,116). Проанализируем, как изменятся значения высших гармоник тока и напряжения некоторых характерных элементов рассматриваемой сети НН при изменении доли нелинейной нагрузки [35]. Как и ранее, примем мощность трансформатора 10/0,4 кВ Sтр = 100 кВ А и долю осветительной нагрузки γ = 0,5, а также те же параметры питающих линий, стояков и линий групповой сети.
Очевидно, что предполагаемое увеличение или уменьшение количества и суммарной установленной мощности устройств компьютерной техники (нелинейных электроприемников), подключенных к электрической сети здания, определяется как производственной необходимостью, так и техническими и финансовыми возможностями пользователей. Для проведения сравнительного анализа рассмотрим два варианта размеров здания, количества помещений и наполнения их разными электроприемниками и, соответственно, доли нелинейной нагрузки.
В первом варианте в трехэтажном здании с одним осветительным стояком к каждой фазе этажного РЩ с помощью одной линии групповой сети подключена осветительная нагрузка мощностью 1868,2 ВА, а с помощью двух линий групповой сети через розетки — два обогревательных прибора суммарной мощностью 1400,2 В А, а также восемь компьютеров и два принтера суммарной мощностью 2174,2 В А. При этом предположим, что дополнительная, по сравнению с рассмотренным в третьей главе расчетным вариантом, группа нелинейных электроприемников (пять компьютеров и один принтер) выделена и подключена отдельно к одной из линий розеток. В соответствии с этим изменятся параметры элементов нагрузки в характерных узлах анализируемой сети (согласно рис. 3.1). В результате получаем для каждой фазы значения доли нелинейной нагрузки рассматриваемых линии групповой сети а3 = 0,384 и стояка а2= 0,413, а также всей сети здания а, = 0,211. Очевидно, что а2 > а3 за счет учета в активной мощности нелинейной составляющей нагрузки стояка активной мощности упомянутой дополнительной группы нелинейных электроприемников. В итоге наличие этих нелинейных электроприемников приводит к возрастанию доли нелинейной нагрузки всей сети здания до указанного значения.
Во втором варианте в двухэтажном здании с одним осветительным стояком к каждой фазе РЩ кроме осветительной нагрузки на первом этаже с помощью двух линий групповой сети через розетки подключены два обогревательных прибора суммарной мощностью 1460 В А и двадцать шесть компьютеров и шесть принтеров суммарной мощностью 6900 В А, а на втором этаже с помощью одной линии — один обогревательный прибор мощностью 730 В А и тринадцать компьютеров и три принтера суммарной мощностью 3450 В А.
В результате получаем для каждой фазы еще большие по сравнению с первым вариантом значения доли нелинейной нагрузки рассматриваемых линий групповой сети а3 = 0,822 и стояка а2 = 0,637, а также всей сети здания а1= 0,333. Отметим, что в рассматриваемом варианте предполагается подключение к линиям розеток электроприемников мощностью, которая является максимальной с точки зрения допустимой длительной токовой нагрузки для провода сечением 2,5 мм2. При этом насыщение помещений здания средствами компьютерной техники весьма значительно. Поэтому полученное в данном расчетном варианте значение а, можно считать максимально возможным для выбранного состава нелинейных электроприемников (только компьютеры и принтеры), а также принятых неизменными параметров сети и доли осветительной нагрузки.
В результате расчетов получаем для двух вариантов значения коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного тока двух участков линии питания розеток КI4 и КI3, этажного участка стояка Кп и внешней питающей линии Кп. Как известно, каждый нелинейный электроприемник, с одной стороны, вносит свой вклад в искажение синусоидальности кривых токов и напряжений всей сети, а с другой — сам находится под влиянием других нелинейных электроприемников этой сети. В результате с увеличением а, за счет увеличения суммарной установленной мощности нелинейных электроприемников искажение синусоидальности кривых напряжений в нагрузочных узлах увеличивается, а К единичного компьютера или принтера уменьшается. Поэтому характер изменения К4 и Кп при увеличении будет зависеть в каждом конкретном случае от количества и очередности подключения электроприемников к линиям групповой сети. В то же время значения Кп и Кп с ростом доли нелинейной нагрузки возрастают.
Как было отмечено выше, ток внешней питающей сети является определяющим с точки зрения формирования искажений синусоидальности кривых напряжений во всех элементах сети НН. По изменению искажения синусоидальности кривой данного тока при изменении доли нелинейной нагрузки можно судить об общем уровне и определять закономерности изменения значения высших гармоник токов и напряжений рассматриваемой сети. На рис. 4.1 показаны зависимости Кп и коэффициента n-й гармонической составляющей (для доминирующих гармоник) тока внешней питающей линии К от значения а. Очевидно, что с увеличением а1 значение К возрастает, причем основной вклад (98—99 %) в искажение синусоидальности кривой фазного тока внешней питающей сети вносят третья, пятая и седьмая гармоники, а наименьший — девятая.
Рис.4.1. Зависимости коэффициентов искажения синусоидальности кривой К и п-й гармонической составляющей КI(n) тока внешней питающей сети от а,
Из рисунка видно, что закон изменения K(n) в зависимости от а1 различный для разных гармоник. Это связано с тем, что в условиях конкретной сети изменение доли нелинейной нагрузки оказывает существенное влияние на сложность характера формирования кривых токов и напряжений и, следовательно, зависимостей значений высших гармоник от а,. Следует отметить лишь очевидную тенденцию возрастания рассматриваемых коэффициентов с ростом Х. В то же время, как было отмечено в третьей главе, однозначно оценить степень влияния нелинейной нагрузки на сеть НН, сравнивая значение К и К(n) ее элементов, не представляется возможным. Поэтому продолжать подобный анализ для фазных токов остальных элементов низковольтной сети представляется нецелесообразным.
Как известно, в четырехпроводных сетях токи гармоник, кратных трем, определяют ток в нулевом проводе. Поэтому ток в нейтрали трансформатора и в нулевом проводе внешней питающей линии в первом расчетном варианте (0,211) составляет 23— 24 %, а во втором (0,333) — достигает 30 % фазного тока внешней питающей сети. Иными словами, в рассматриваемых нагрузочных режимах нарушается известное техническое требование о том, что для трансформаторов со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем допускается ток в нейтрали трансформатора не более 25 % номинального.
В связи с этим возникает необходимость замены таких трансформаторов на трансформаторы с соединением обмоток треугольник—звезда с нулем. В этом случае допускается ток в нейтрали до 75 % номинального. Кроме того, ток в нулевой жиле кабеля стояка в первом расчетном варианте достигает 70 %, а во втором — 90 % фазного тока кабеля стояка. При этом действующее значение рассматриваемого тока достигает допустимой длительной токовой нагрузки для кабеля сечением 16 мм2 (принятое сечение нулевой жилы). Поэтому при проектировании электрической сети здания необходимо учитывать наличие токов высших гармоник и принимать сечения нулевых жил кабелей стояков равными сечениям соответствующих фазных жил.
Для определения степени влияния нелинейных электроприемников на сеть при изменении доли нелинейной нагрузки находим значения Ки в известных характерных узлах низковольтной сети. В результате расчета получаем, что при изменении а, от 0,116 до 0,333 коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на ГРЩ Кт возрастает от 7,38 до 14,21 %, на РЩ групповой сети К— от 7,96 до 15,37 %, в розетках дальней комнаты здания Кш — от 8,62 до 17,4 %. Следует отметить, что уже при а1 >0,211 Κ в разных точках электрической сети здания превышает предельно допустимое значение 12 % согласно ГОСТ 13109—97. Кроме того, из приведенных результатов видно, что во втором расчетном варианте за счет перегрузки линии групповой сети токами высших гармоник значение несинусоидальности напряжения на ГРЩ составляет меньшую часть несинусоидальности напряжения на зажимах электроприемников (около 80 %) по сравнению с первым вариантом (около 88 %).
На рис. 4.2 приведены зависимости Кш и коэффициента гармонической составляющей напряжения в розетках дальней комнаты К(n) от значения щ. При этом из-за небольших значений отдельных гармоник напряжения и для упрощения анализа рассматриваем интегральные коэффициенты KU4(n) нескольких гармоник. Например, для пятой и седьмой гармоник Ки4(5,7)
Нетрудно видеть, что искажение формы кривой напряжения на зажимах электроприемников определяется в основном напряжением третьей гармоники.
Рис.4.2. Зависимости коэффициентов искажения синусоидальности кривой КU4 и n-й гармонической составляющей КU4(n) напряжения в розетках дальней комнаты
В результате KU4(3), изменяясь в рассматриваемых расчетных вариантах от 8,2 до 17,2 %, существенно превышает предельно допустимое значение 7,5 % согласно ГОСТ 13109—97. Остальные гармоники вносят незначительный вклад. Причем напряжение девятой гармоники сравнимо по значению с напряжениями пятой и седьмой гармоник. Хотя, как отмечалось ранее, значение тока девятой гармоники невелико. Доминирующее влияние напряжений гармоник, кратных трем, можно объяснить большим эквивалентным сопротивлением нулевой последовательности сетей НН.
С помощью метода оценки влияния потерь на несинусоидальность напряжения (см. третью главу) получаем количественные характеристики указанного влияния при разных значениях а1. В результате при увеличении потерь напряжения AU в сети на 3% (равномерно во всех основных линейных элементах) на зажимах электроприемников рассматриваемой линии групповой сети увеличивается в первом расчетном варианте (а1 = 0,211) на 3,1 %, а во втором (а1 = 0,333) — на 3,9 %. При этом часть указанного увеличения ΚU, которая определяется увеличением на 1 % ∆U в стояке, возрастает по сравнению с расчетным вариантом предыдущей главы (а1= 0,116) примерно до 75 %. Это можно объяснить, в частности, опережающим увеличением токов высших гармоник стояка по сравнению, например, с аналогичными токами внешней питающей сети при возрастании доли нелинейной нагрузки.
Очевидно, что в рамках конкретного нагрузочного режима потери напряжения в линиях определяются их длиной (и сечением). В результате проведенных расчетов установлено, что в рассматриваемых расчетных вариантах увеличению ∆U во внешней питающей линии на 1 % соответствует увеличение ее длины примерно на 55 м. Соответствующее увеличение длины стояка составляет примерно 50 м, а длины линии групповой сети — 10м при а1 = 0,221 и 5м при а1 = 0,333 (различие вызвано увеличением тока линии групповой сети во втором расчетном варианте). Таким образом, с помощью разработанного метода, кроме того, можно оценить влияние изменения длины рассматриваемых линейных элементов сети на несинусоидальность напряжения.
В заключение следует отметить, что в данном параграфе представлены результаты влияния на форму кривых токов и напряжений доли нелинейной нагрузки, которая определяется суммарной установленной мощностью только устройств компьютерной техники, рассмотренных в качестве характерных нелинейных электроприемников сетей НН. Очевидно, что при учете в расчетных вариантах существующей нелинейности других электроприемников, например, СВЧ-печей, люминесцентных ламп (особенно с электронной пускорегулирующей аппаратурой, см. первую главу), можно получить еще более высокий уровень высших гармоник в низковольтных сетях.
