Стартовая >> Книги >> Разное >> Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Заключение - Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Оглавление
Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях
Введение
Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования
Электромагнитная совместимость
Моделирование нелинейных нагрузок
Моделирование и расчет токов и напряжений сетей НН с нелинейными нагрузками
Модели низковольтных сетей, в которых нелинейные нагрузки задаются источниками токов
Анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения с помощью традиционных моделей
Математическая модель электрической сети здания
Методология определения параметров схемы замещения сети
Расчет несинусоидальности токов и напряжений в сетях общественных зданий
Анализ несинусоидальности напряжений с помощью схем замещения с источниками токов высших гармоник
Метод оценки влияния потерь напряжения в линиях на значение несинусоидальности
Анализ влияния параметров нагрузки и сети
Влияние мощности и схемы соединения обмоток трансформатора
Моделирование и анализ влияния параметров нагрузочных режимов
Анализ несимметрии нелинейных электроприемников
Методика определения коэффициента искажения синусоидальности кривых фазных напряжений
Средства снижения уровня высших гармоник
Синтез схем корректирующих устройств для трехфазных четырехпроводных сетей
Моделирование фильтрации высших гармоник
Анализ эффективности фильтрации с использованием фильтров токов гармоник нулевой последовательности
Применение средств обеспечения электромагнитной совместимости
Построение систем электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью
Организация искусственного нулевого провода
Технические средства защиты от электромагнитных помех в сетях собственных нужд
Заключение
Список литературы

В настоящее время в низковольтных сетях жилых и общественных зданий получили широкое распространение сравнительно маломощные нелинейные электроприемники, в первую очередь, преобразователи с бестрансформаторным входом, в качестве входного звена которых используется сетевой выпрямитель с емкостным фильтром. Несмотря на малую мощность каждого из этих потребителей электроэнергии, их массовое применение наряду с большими значениями сопротивлений нулевой последовательности элементов трехфазных четырехпроводных сетей является основной причиной значительных искажений синусоидальности кривых напряжений в сетях НН. Отрицательное влияние неси- нусоидальности напряжений и токов на различные виды электрооборудования приводит в современных СЭС к серьезному технико-экономическому ущербу. Очевидно, что проблема ЭМС является проблемой совместного функционирования разных электропотребителей в конкретной СЭС. При этом в условиях насыщенности нелинейными электропотребителями доминирующим фактором ухудшения КЭ и нарушения ЭМС в электрических сетях зданий и сооружений становится несинусоидальность токов и напряжений.
В связи с этим существует потребность в улучшении КЭ и обеспечении ЭМС потребителей низковольтных сетей. Поэтому нуждаются в дальнейшем развитии научные исследования по созданию новых методов непосредственного анализа режимов и, соответственно, разработке моделей сетей НН с нелинейными нагрузками. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сформулировать требования к элементам низковольтной сети при ее проектировании и разработать рекомендации по использованию технических средств для обеспечения ЭМС потребителей сетей НН.
Существующие математические модели позволяют проводить исследования электромагнитных процессов в сетях НН с нелинейными нагрузками в целях определения их влияния на сеть с учетом конкретных параметров сети и нагрузки. Однако, эти модели позволяют проводить расчет токов и напряжений сетей НН с сосредоточенной в одном узле нелинейной нагрузкой. Это могут быть либо неразветвленные автономные сети с нагрузкой, имеющей в своем составе радиоэлектронную аппаратуру с ИВЭП с бестрансформаторным входом, либо распределительные (городские или сельские) сети НН, питающие нагрузку крупных объектов (зданий, предприятий), которая имеет в своем составе нелинейные электроприемники. Таким образом, существующие модели не позволяют определить значение высших гармоник токов и напряжений внутренней сети электроснабжения здания, а также параметры несинусоидальности напряжений на зажимах подключенных к ней электроприемников.
Предложенная авторами модель электрической сети здания за счет учета параметров ее основных элементов позволяет определять значения искажений синусоидальности кривых токов и напряжений на зажимах электроприемников, подключенных в любой точке моделируемой сети НН. Усовершенствованная схема замещения сети НН усложняется за счет дополнительного учета основных элементов внутренней электрической сети здания и соответствующих групп электроприемников, которые подключаются к ее характерным нагрузочным узлам. В целях получения оптимального количества нагрузочных узлов, к которым подключаются отдельные группы электроприемников с конкретными параметрами, предложен метод эквивалентирования нелинейных нагрузок и построения эквивалентных схем замещения сети. Показано, что оптимальной для проведения моделирования и анализа режимов электрической сети здания с несимметричными нелинейными электроприемниками является схема замещения, которая учитывает четыре характерных нагрузочных узла (ГРЩ, РЩ и два узла (розетки) групповой сети).
При этом, в частности, применяется метод анализа сетей НН с нелинейными нагрузками с использованием традиционных моделей, который позволяет, не конкретизируя нелинейную нагрузку, рассматривать конкретную низковольтную сеть с определенными параметрами. В результате анализа развернутых схем замещения с источниками токов высших гармоник сформулированы основные положения, описаны механизм и составляющие формирования несинусоидальности напряжений в любом нагрузочном узле сети НН. Показано, что искажение синусоидальности кривой напряжения на зажимах любого электроприемника состоит из собственного и приобретенного искажений. Получены выражения для определения падений напряжения от токов высших гармоник через значение потерь напряжения в различных элементах сети НН.

Для получения соответствующих количественных характеристик в целях проведения анализа несинусоидальности токов и напряжений предложена методология определения параметров схемы замещения конкретной сети НН и подключенных к ней электроприемников на основании общепринятых норм и подходов к проектированию подобных электрических сетей. При этом в качестве характерных нелинейных электроприемников рассмотрены персональные компьютеры и принтеры. С учетом полученных параметров схемы замещения проведено моделирование установившихся режимов и расчет токов и напряжений конкретной электрической сети общественного здания.
Доля нелинейной нагрузки оказывает наиболее существенное влияние на форму кривых токов и напряжений в сетях НН. При этом всегда можно определить пределы изменения для выбранного состава нелинейных электроприемников, характеристики здания и принятого варианта исполнения его электрической сети. В результате проведенных расчетов установлено, что при а, > 0,22 ток в нейтрали трансформатора и в нулевом проводе внешней питающей линии составляет 25—30 % фазного тока внешней питающей сети, а ток в нулевой жиле кабеля стояка — 70—90 % соответствующего фазного. Таким образом, в рассмотренных 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, а действующее значение тока в нулевой жиле кабеля стояка достигает допустимой длительной токовой нагрузки для кабеля принятого сечения нулевой жилы.
Для определения степени влияния нелинейных электроприемников на сеть при изменении доли нелинейной нагрузки найдены значения Κu в характерных узлах низковольтной сети. Расчеты показывают, что основной вклад (80—90 %) в несинусоидальность напряжения на зажимах электроприемников, подключенных через розетки к электрической сети здания, вносит составляющая несинусоидальности напряжения на вводе в здание (на ГРЩ). Например, при а1= 0,333 коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на ГРЩ превышает 14 %, а в розетках дальней комнаты здания — 17 %.

В результате, при а1> 0,22 Κu в разных точках электрической сети здания превышает предельно допустимое согласно ГОСТ 13109—97 значение 12 %. При этом коэффициент третьей гармоники напряжения на зажимах рассматриваемых электроприемников существенно превышает предельно допустимое согласно ГОСТ 13109—97 значение 7,5 %.
С помощью разработанного метода оценки влияния потерь напряжения в линиях на несинусоидальность напряжения в узлах получены количественные характеристики указанного влияния при разных значениях а1. Например, при а, > 0,22 увеличение ∆U в сети на 3 % вызывает увеличение Κu на зажимах электроприемников рассматриваемой линии групповой сети на 3— 4 %. При этом часть указанного увеличения Ки, которая определяется увеличением на I % ΔU в стояке, составляет 70—75 %. Кроме того, определены соотношения между значением потерь напряжения в линиях и их длиной, которые позволяют оценить влияние изменения длины рассматриваемых линейных элементов сети на несинусоидальность напряжения.
Установлено, что при изменении мощности трансформатора на значение высших гармоник в первую очередь влияют его конструктивные особенности, которые определяют величину сопротивления нулевой последовательности трансформатора. За счет относительного уменьшения сопротивления нулевой последовательности при использовании трансформатора мощностью 250 кВ А значения Кu4 уменьшаются на 30—40 % соответствующих значений К при использовании трансформатора мощностью 100 кВ А Использование трансформатора со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем приводит, с одной стороны, к нежелательному увеличению токов нулевого провода, а с другой — к ощутимому снижению Ки в сетях НН. Например, при = = 0,333 ток в нейтрали трансформатора составляет около 55 % его фазного тока, а ток в нулевой жиле кабеля стояка — около 115 % фазного тока кабеля стояка. При этом Ки4 уменьшился на 30—40 % его значения при использовании трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем и практически не превышает предельно допустимое согласно ГОСТ 13109— 97 значение 12 %. Следует отметить, что повышение мощности питающего трансформатора не приводит к существенному снижению несинусоидальности напряжений на зажимах электроприемников. Даже при 10-кратном завышении мощности питающего трансформатора Κu4 на зажимах электроприемников групповой сети снижается меньше, чем в 2 раза.

В низковольтной электрической сети конкретного объекта значение Ки в течение рабочего дня изменяется в широких пределах (в два раза) в зависимости от доли нелинейной нагрузки всей сети здания а1, которая определяется ее нагрузочным режимом в соответствии с сезонным суточным графиком нагрузок. При этом, в частности, учитывается возможность возникновения так называемого скрытого увеличения доли нелинейной нагрузки за счет неравномерного подключения в течение суток отдельных групп электроприемников при неизменной суммарной установленной мощности нелинейных электроприемников здания. В результате, летом Ки на 5—20 % больше соответствующих (по времени суток) Ки для зимнего рабочего дня (большие значения приращения соответствуют меньшим значениям а1), в основном, за счет летнего скрытого увеличения доли нелинейной нагрузки всей сети здания.
В электрических сетях зданий очень часто существует несимметрия высших гармоник, которая возникает при несимметричном подключении нелинейных электроприемников в результате совместного воздействия и взаимного влияния изменения формы кривых фазных токов и напряжений по сравнению с симметричным режимом. При этом возможны случаи возникновения несимметрии высших гармоник, когда за счет скрытого увеличения а1 в отдельных фазах может произойти существенное увеличение Κu (на 20—25 % по сравнению с симметричным режимом) в разных узлах электрической сети здания.
Полученные в работе выводы и соотношения позволили предложить принципы построения математических моделей нагрузочных узлов с нелинейными электроприемниками для низковольтных сетей. В результате анализа разработанных математических моделей нагрузочных узлов получены аналитические выражения для определения несинусоидальности фазного напряжения через несинусоидальность тока любого линейного электроприемника, включенного на фазное напряжение в рассматриваемом узле. С использованием указанных выражений и полученных в работе зависимостей токов высших гармоник от конкретных параметров элементов сети и нагрузки разработана оригинальная методика определения несинусоидальности фазных напряжений по известным значениям проектных нагрузочных параметров cosφ и а.
В результате проведенного анализа причин и закономерностей роста уровня высших гармоник установлено, что несинусоидальность токов и напряжений в сетях НН, в основном, определяют конструктивные особенности построения трехфазных четырехпроводных сетей, соотношение сопротивлений отдельных их элементов и величина доли нелинейной нагрузки. Полученные результаты позволяют сформулировать требования к элементам сети НН при ее организации с точки зрения обеспечения ЭМС электроприемников. При неизменной доле нелинейной нагрузки одним из основных путей решения проблемы на этапе проектирования сети может стать снижение эквивалентного сопротивления нулевой последовательности низковольтной сети. Для этого, в частности, предлагается использовать трансформаторы со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с нулем (и звезда—зигзаг с нулем), а также повышать их мощность и увеличивать сечение нулевого провода сети. Очевидно, что наиболее перспективным направлением решения проблемы обеспечения ЭМС в низковольтных электрических сетях с нелинейными потребителями является исключение «искажающих» энергопотребителей путем широкого использования преобразователей с улучшенной ЭМС. Однако, по ряду причин, в настоящее время в сетях НН целесообразно проведение мероприятий по снижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети, а также применение специальных фильтрующих корректирующих устройств. При этом рекомендации по использованию разных способов и средств обеспечения ЭМС должны базироваться на анализе процессов в электрической сети конкретного объекта.
Разработанная имитационная модель фильтрации токов высших гармоник для трехфазных четырехпроводных сетей с помощью фильтров токов гармоник нулевой последовательности позволяет провести проверку предполагаемых возможностей и анализ эффективности рассматриваемых фильтров в сетях НН разного назначения. В результате проведенных расчетов определено, что использование указанных фильтров в электрических сетях зданий позволяет уменьшить Ки в характерных нагрузочных узлах в 2—3 раза. При этом наиболее эффективной, с точки зрения снижения Ки на зажимах электроприемников групповой сети, является работа рассматриваемых фильтров в сети с трансформатором мощностью 100 кВ А, при подключении в узле РЩ, в случае несимметрии нелинейных потребителей и при малых значениях коэффициентов загрузки электрооборудования. С учетом полученных результатов разработаны рекомендации по использованию фильтров данного типа для обеспечения ЭМС электроприемников низковольтных электрических сетей.

В монографии представлены результаты экспериментальной проверки работы фильтров токов гармоник нулевой последовательности в низковольтных электрических сетях разного назначения. С учетом результатов предварительного анализа несинусоидальности токов и напряжений предлагается использовать фильтрующие корректирующие устройства в качестве обязательных элементов низковольтной электрической сети здания при ее организации с точки зрения обеспечения ЭМС электроприемников. В результате проведенных исследований разработаны принципы построения систем гарантированного электропитания для энергообъектов на основе существующих элементов системы электропитания и дополнительных технических средств защиты от ЭМП. В качестве дополнительных обязательных элементов СГЭ, которые прошли опытную проверку на действующих энергообъектах, предлагаются два вида фильтрующих устройств — для фильтрации токов высших гармоник на низких частотах и для подавления высокочастотных и импульсных помех. Кроме того, в работе рассмотрены принципы построения и проведен сравнительный анализ энергопотребления с использованием предложенной методики определения энергетических показателей СВЭП по результатам расчета энергопотребления выпрямителя с известными параметрами (входной цепи рассматриваемой СВЭП) современных систем электропитания сложных радиоэлектронных комплексов.

Таким образом, в монографии разработаны эффективные методы анализа низковольтных электрических сетей с нелинейными потребителями, получены новые количественные характеристики несинусоидальности токов и напряжений в электрических сетях зданий, а также разработаны практические рекомендации по использованию предложенных способов и технических средств обеспечения ЭМС в сетях НН разного назначения. Следует отметить, что разработанные авторами методы достаточно универсальны и позволяют проводить анализ несинусоидальности токов и напряжений низковольтных сетей с учетом прогноза изменения количественного и качественного состава нелинейных нагрузок, а также перспектив развития электрических сетей зданий, что, в конечном итоге, повышает эффективность решения проблем электромагнитной совместимости в низковольтных электрических сетях с нелинейными потребителями.



 
« Ведение оперативной документации на подстанциях   Защита шин 6-10 кВ »
электрические сети