Рассмотрим, как влияет мощность трансформатора 10/0,4 кВ на несинусоидальность токов и напряжений сети НН. Проведем расчеты высших гармоник для вариантов построения сети, которые предусматривают использование трансформаторов мощностью 250 и 1000 кВ-А. Очевидно, что по сравнению с вариантом построения сети с трансформатором мощностью 100 кВ А, учитывая возросшую мощность и соответствующее увеличение токов в элементах сети, пересмотрим в расчетных вариантах параметры питающих линий и стояков, количество и мощность электроприемников, а также количество помещений и размеры здания, оставив неизменными значения доли нелинейной нагрузки. Кроме того, следует учесть, что, благодаря конструктивным особенностям, схеме соединения обмоток, степени насыщения стержней магнитопровода и др., трансформатор мощностью 250 кВ·А
со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем имеет относительно небольшое сопротивление нулевой последовательности по сравнению с аналогичным трансформатором мощностью 100 кВ А.
Рис.4.3. Зависимости Кп и К(n) от а, для сети с трансформатором мощностью 250 кВА
Как было отмечено выше, значение сопротивления нулевой последовательности трансформатора 10/0,4 кВ во многом определяет несинусои- дальность напряжения элементов сетей НН. В результате количественные характеристики несинусои- дальности токов и напряжений сети с трансформатором мощностью 250 кВ А отличаются от соответствующих характеристик сети с трансформатором мощностью 100 кВ А.
На рис. 4.3 показаны полученные для этого варианта исполнения сети зависимости Кп и К1(п) от а1. Сравним данные кривые с кривыми, представленными на рис. 4.1. Очевидно, что К существенно увеличивается, достигая значения Кп = 23 % при а1= 0,355. Из рисунка видно, что изменение К вызвано изменением значений отдельных гармоник, в первую очередь третьей, а также пятой и седьмой.
Значение девятой гармоники возросло, в данном случае оно соизмеримо с одиннадцатой и тринадцатой гармониками. Таким образом, увеличение К в случае питания от трансформатора мощностью 250 кВ А определяется в основном возросшими токами гармоник, кратных трем. Поэтому, например, при а1= 0,355 ток в нейтрали трансформатора и нулевом проводе внешней питающей линии превышает 60 % фазного тока внешней питающей сети, а ток в нулевой жиле кабеля стояка (по той же причине) — 112 % фазного тока кабеля стояка со всеми вытекающими отрицательными последствиями.
В результате расчета получаем, что в различных нагрузочных режимах Кт сети с трансформатором мощностью 250 кВ А приблизительно в два раза меньше Кт сети с трансформатором мощностью 100 кВ А.
Рис.4.4. Зависимости КU4 и от a, для сети с трансформатором мощностью 250 кВ А
Это приводит к уменьшению K в соответствующих режимах, так как (как было отмечено выше) основной вклад в несинусоидальность напряжения на зажимах электроприемников вносит составляющая несинусоидальности напряжения на ГРЩ. Несмотря на это, уже при а1> 0,224 Ки в разных нагрузочных узлах электрической сети здания превышает нормально или предельно допустимые значения согласно ГОСТ 13109— 97. На рис. 4.4 представлены зависимости Ки4 и Ки4(п) от а1. Из сравнения зависимостей, показанных на рис. 4.2 и 4.4, видно, что при использовании трансформатора мощностью 250 кВ А значения К уменьшились на 30—40 % соответствующих значений К при использовании трансформатора мощностью 100 кВ А. Очевидно, что это уменьшение связано с уменьшением напряжения гармоник, кратных трем, которое вызвано относительным уменьшением сопротивления нулевой последовательности трансформатора. Тем не менее, в рассматриваемых нагрузочных режимах превышает либо нормально, либо предельно допустимые значения согласно ГОСТ 13109—97.
Продолжая анализ, проводим аналогичные расчеты для вариантов построения сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А. В результате получаем относительные значения высших гармоник токов и напряжений, которые мало отличаются от соответствующих значений для сети с трансформатором мощностью 100 кВ·А.
Проведенный анализ показал, что это вызвано вновь начинающимся постепенным увеличением сопротивления нулевой последовательности трансформатора (за счет индуктивной составляющей) относительно его сопротивления короткого замыкания, которое происходит при увеличении его мощности S> 250 кВ-А. При этом на значение высших гармоник токов и напряжений электрической сети отдельного здания практически не влияет вариант размещения электроприемников (например, для сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А — в одном 16-этажном или четырех 4-этажных зданиях) и схема питания (радиальная или магистральная).
Проведенный анализ влияния мощности трансформатора на несинусоидальность токов и напряжений показал, что на значение высших гармоник влияют конструктивные особенности, в частности, схема соединения обмоток трансформатора. Однако для точного определения количественных характеристик указанного влияния необходимо рассмотреть расчетные варианты построения сети, в которых при изменении схемы соединения обмоток мощность трансформатора остается неизменной. В предыдущем параграфе представлены результаты расчета несинусоидальности токов и напряжений при изменении значения а для расчетных вариантов построения сети НН с трансформатором мощностью 100 кВ А со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем. Для проведения сравнительного анализа влияния схемы соединения обмоток рассмотрим соответствующие варианты использования трансформатора мощностью 100 кВ А с соединением обмоток по схеме треугольник—звезда с нулем.
В схеме замещения данный трансформатор представим сопротивлениями RK = 0,035 Ом; Xк = 0,065 Ом; 0,035 Ом; Х°=0,065 Ом, а параметры линейных элементов сети и электроприемников оставим прежними. Очевидно, что при этом значительно уменьшится сопротивление нулевой последовательности внешней питающей сети. Проведенные расчеты показывают, что по сравнению с вариантами использования трансформатора, обмотки которого соединены по схеме звезда—звезда с нулем, в рассмотренных вариантах существенно изменяются значения высших гармоник тока и напряжения в элементах сети. В первую очередь это относится к увеличению несинусоидальности токов внешней питающей сети, а также стояка. В результате, например, Кп существенно увеличивается, достигая значения К=21,01 % при а1= 0,333 (для сравнения, при использовании трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем соответствующий Кп= 12,28 %).
Из полученных результатов видно, что увеличение Кп и Кп в случае питания от трансформатора со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем определяется в основном возросшими токами гармоник, кратных трем. По этой причине, например, при a1= 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 ток в нейтрали трансформатора не превышает допустимое значение для трансформаторов со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с нулем (75 %). В то же время, действующее значение тока в нулевой жиле кабеля стояка в этом случае (85 А) существенно превышает допустимую длительную токовую нагрузку для кабеля сечением 16 мм2.
В результате расчета Ки в характерных нагрузочных узлах получаем, что при изменении а, от 0,116 до 0,333 Кu1 изменяется в пределах от 3,13 до 5,76 %, Кu2 — от 4,3 до 8,6 %, Кu4 — от 5,38 до 12,2 %. Из приведенных результатов, в частности, видно, что при использовании трансформатора со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем происходит не только перераспределение токов высших гармоник, но и относительное изменение значений соответствующих падений напряжений в элементах сети. Несмотря на то, что значение токов высших гармоник возросло, значение падений напряжения от упомянутых токов на продольных сопротивлениях внешней питающей сети снизилось за счет существенного снижения величины соответствующих сопротивлений. В то же время, падения напряжения от токов высших гармоник на продольных сопротивлениях стояка и линий групповой сети возросли, т. к. параметры указанных линейных элементов сети остались неизменными. В связи с этим несинусоидальность напряжения на ГРЩ составляет меньшую часть несинусоидальности напряжения на зажимах электроприемников (менее 60 %) по сравнению с вариантом использования трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем (80—90 %). Причем в случае, когда токи высших гармоник значительны (при a1= 0,333), указанная часть составляет менее 50 %.
Рис.4.5. Зависимости Кu4 и Кu4(п) от а1 для сети с трансформатором мощностью 100 кВ А со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем
На рис.4.5 представлены зависимости Кu4 и Кu4(п) (для третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник) от a1. Из сравнения приведенных зависимостей с аналогичными зависимостями, показанными на рис.4.2, видно, что Кu4 уменьшился на 30—40 % его значения при использования трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем. При этом разброс в значениях определяется значением α1 и загрузкой линий внутренней сети здания токами высших гармоник (меньшему значению снижения Кu4 соответствует а1= 0,333). Таким образом, в результате использования трансформатора со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с нулем Ки в характерных нагрузочных узлах электрической сети здания практически не превышает предельно допустимое значение 12 % согласно ГОСТ 13109—97.
Из рис.4.5 видно, что Кu4 определяется в основном напряжением третьей гармоники. Тем не менее, несмотря на общее снижение несинусоидальности напряжений, Кu4(3) при а1> 0,25 превышает предельно допустимое значение 7,5 % согласно ГОСТ 13109—97. Остальные гармоники вносят незначительный вклад, хотя сильнее, чем в сравниваемых вариантах, проявляется влияние напряжений пятой, седьмой и девятой гармоник.
Полученные результаты показывают, что использование трансформатора со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем приводит, с одной стороны, к ощутимому снижению K0, а с другой — к нежелательному увеличению токов нулевого провода в сетях НН. Известно, что для решения указанной проблемы при проектировании электрической сети здания необходимо
принимать сечения нулевых жил кабелей стояков равными сечениям соответствующих фазных жил.
Рассмотрим расчетный вариант, при котором ток в нулевом проводе максимальный (а1= 0,333), с учетом использования кабеля стояка сечением 4x50 мм2. Проведенные расчеты показывают, что увеличение сечения нулевой жилы кабеля стояка приводит к некоторому увеличению токов высших гармоник (в том числе, и кратных трем) в элементах сети. В результате, в частности, ток в нулевой жиле кабеля стояка составляет 120 % его фазного тока. Однако действующее значение указанного тока (90 А) при этом не превышает значение допустимой длительной токовой нагрузки для кабеля сечением 50 мм2. Кроме того, полученные результаты показывают, что в этом случае за счет уменьшения падений напряжения от токов высших гармоник на продольных сопротивлениях стояка еще больше снижается несинусоидальность напряжений в узлах групповой сети (например, Кт = 10,9 %). Напомним, что при использовании трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем и кабеля стояка сечением 3 х 50 + 1 х 16 мм2 соответствующий Ки4 = 17,4 %.
Таким образом, проведенный анализ причин и закономерностей роста уровня высших гармоник показывает, что несинусоидальность токов и напряжений в сетях НН в основном определяют конструктивные особенности построения трехфазных четырехпроводных сетей, соотношение сопротивлений отдельных их элементов и доля нелинейной нагрузки. Из полученных результатов видно, что 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) вместо широко распространенных по установившейся практике проектирования трансформаторов со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем, а также увеличивать сечение нулевого провода сети. Очевидно, что в условиях эксплуатации электрической сети здания проводить такие мероприятия затруднительно. В этой ситуации требуется применение дополнительных технических средств, уменьшающих негативное влияние нелинейных электропотребителей на КЭ в сетях НН.
