Известно, что потребление электроэнергии не остается постоянным, а изменяется в зависимости от вида, типа и режима работы электроприемников, времени года и часов суток. В результате, изменяется, в частности, и нагрузочный режим сети НН, а в случае подключения нелинейных потребителей — искажение синусоидальности кривых токов и напряжений. В связи с этим проведение анализа влияния параметров нагрузочных режимов на значение высших гармоник представляет несомненный интерес.
В работе [39] проведен анализ влияния коэффициента загрузки питающего трансформатора на значение высших гармоник токов и напряжений низковольтной распределительной сети с нелинейной нагрузкой. В этой работе представлены результаты расчета несинусоидальности токов и напряжений указанной сети при подключении нагрузки, сосредоточенной в одном узле. Очевидно, что используемая при этом модель сети (см. вторую главу) не позволяет определить количественные характеристики влияния различных нагрузочных режимов сети НН на искажение синусоидальности кривых токов и напряжений внутренней сети здания и на зажимах подключенных к ней электроприемников. Кроме того, в упомянутой статье [39] для характеристики нагрузочных режимов используется так называемый коэффициент загрузки трансформатора β, который рассчитывается формально, без конкретизации и учета, например, характерных для электрических сетей городов летних и зимних суточных графиков нагрузок отдельных групп электроприемников жилых или общественных зданий.
В связи с этим для анализа нагрузочных режимов низковольтных сетей с нелинейными электроприемниками в работе [47] предлагается использовать предложенную в третьей главе данной работы математическую модель, которая позволяет определить значения искажений синусоидальности кривых токов и напряжений на любом предусмотренном схемой замещения элементе сети, в частности, с учетом графиков электрических нагрузок. В предыдущих параграфах представлены результаты расчета несинусоидальности токов и напряжений для конкретных вариантов исполнения сети НН с питающими трансформаторами мощностью 100, 250 и 1000 кВ А при разных долях нелинейной нагрузки а. При этом полученные результаты дают информацию об уровне высших гармоник в сети при 100%-ной загрузке указанных трансформаторов. Поэтому и с учетом того, что в рассмотренных вариантах предусмотрено подключение силовой нагрузки, осветительных и электробытовых (в первую очередь, обогревательных) приборов, а также средств компьютерной техники с полным использованием установленной мощности всех электроприемников, данные нагрузочные режимы будем считать соответствующими зимнему вечернему максимуму нагрузок, например, учреждения управления, финансирования, проектной, конструкторской или научной организации.
Очевидно, что можно определить диапазон изменения нагрузок в течение суток для каждой группы электроприемников, затем аргументированно выбрать несколько нагрузочных режимов в этом диапазоне и, рассчитав для них параметры схемы замещения электроприемников и интегральный коэффициент β, провести расчет несинусоидальности токов и напряжений сети НН при разных значениях аиb. При этом для оценки и учета графиков нагрузок отдельных групп электроприемников введем соответствующие коэффициенты загрузки:
где
— суммарная мощность группы электроприемников для случаев их фактической загрузки, определяемой значением (100%-ной загрузки (установленная мощность) соответственно.
Предположим, что в течение зимнего рабочего дня для осветительных и обогревательных приборов, силовой и компьютерной нагрузок изменяется в следующих пределах:
Начальные ненулевые значения β' для силовой и осветительной нагрузок определяются режимом работы силовых электроприемников здания и наличием нерабочего освещения коридоров и лестничных клеток соответственно. Тогда интегральный коэффициент загрузки всех электроприемников здания (коэффициент загрузки трансформатора)
—
суммарная мощность электроприемников здания, определяемая графиком нагрузок) при выбранной доле силовой нагрузки γ =0,5 будет изменяться от 0,43 до 1,0.
Рис.4.6. Изменение Ки на зажимах наиболее удаленного электроприемника от b в течение зимнего (1) и летнего (2) рабочего дня
При этом Ки на зажимах электроприемников, подключенных в любой точке электрической сети здания, будет изменяться от 0 до значения, определяемого долей нелинейной нагрузки во время зимнего вечернего максимума нагрузок рассматриваемой сети НН.
На рис. 4.6 кривые 1 показывают, как изменяется значение Ки на зажимах наиболее удаленного электроприемника сети НН с трансформатором мощностью 1000 кВ А в течение зимнего рабочего дня. При этом нижняя кривая отражает изменение Κu от β для варианта, в котором во время вечернего максимума нагрузок, т. е. при β= 1,0, доля нелинейной нагрузки всей сети здания а, = 0,113, а верхняя — для варианта, в котором при β = 1,0, а1= = 0,355. Так как элементы сети рассчитывались, исходя из 100%- ной загрузки, то при уменьшении β увеличивается уровень фазного напряжения и, соответственно, изменяются амплитудные значения первых гармоник напряжения в нагрузочных узлах сети. Поэтому при построении рассматриваемых зависимостей для проведения сравнительного анализа высших гармоник при разных β значение Ки было приведено к первой гармонике соответствующего напряжения при β = 1,0.
Очевидно, что в течение рабочего дня значение а, изменяется в широких пределах, что вызвано непропорциональным изменением мощности подключаемых электроприемников отдельных групп.
В частности, силовая нагрузка, которая является наиболее существенной линейной составляющей суммарной нагрузки сети здания, изменяется в течение рабочего дня незначительно, а не линейная компьютерная нагрузка изменяется при этом в широких пределах. Например, при подключении третьей части электроприемников групповой сети и соответствующего приращения силовой нагрузки а1= 0,062 (нижняя кривая 1) и 0,202 (верхняя кривая 1). При этом Ки= 5,08 % и Ки-12,06 % соответственно, что меньше на 4,06 и 6,26 % соответствующего Ки для вечернего максимума нагрузок. Реально можно ожидать в течение дня двукратного изменения значения Κυ (при этом не рассматриваются кратковременные нагрузочные режимы).
Аналогично, если исключить из состава электроприемников, подключаемых в течение зимнего рабочего дня, нагрузку осветительную (за исключением освещения коридоров и лестничных клеток) и обогревательных приборов, можно смоделировать нагрузочные режимы летнего рабочего дня. При этом в течение летнего рабочего дня b для отдельных групп электроприемников будет изменяться в следующих пределах:
Тогда β для рассматриваемых вариантов исполнения сети в течение летнего рабочего дня будет изменяться от 0,43 до 0,64 или 0,82 для вариантов сети НН, в которых во время зимнего вечернего максимума нагрузок а1= 0,113 или а1= 0,355 соответственно.
Очевидно, что в связи с отсутствием большой части осветительной, а также обогревательной нагрузки уменьшается линейная составляющая суммарной нагрузки сети здания, что приводит летом к увеличению a1 по сравнению с соответствующими зимними нагрузочными режимами. Например, во время летнего вечернего максимума а1= 0,181 и а1= 0,432 соответственно. Назовем указанное увеличение а, скрытым увеличением доли нелинейной нагрузки, так как оно происходит из-за неравномерного подключения в течение суток отдельных групп электроприемников, а не увеличения установленной мощности нелинейных электроприемников здания.
На рис. 4.6 кривые 2 показывают, как изменяется значение Κu в течение летнего рабочего дня. При этом представленные кривые (верхняя и нижняя) отражают изменение Κu от β для тех же вариантов сети НН, что и кривые 7.
Рис.4.7. Зависимости К на ГРЩ (1) и зажимах удаленного электроприемника (2) от а, при изменении мощности трансформатора и неизменной мощности нагрузки
Из рисунка видно, что при подключении третьей части электроприемников групповой сети и соответствующего приращения силовой нагрузки в обоих рассматриваемых вариантах (а1= 0,077 и 0,225 соответственно) Κu в два раза меньше соответствующих при 100%-ном подключении электроприемников. Кроме того, следует отметить, что абсолютные значения высших гармоник напряжения рассматриваемой сети летом на 5—20 % больше соответствующих (по времени суток) значений высших гармоник напряжения для зимнего рабочего дня (большие значения приращения соответствуют меньшим значениям а1). Данное обстоятельство можно объяснить отмеченным выше летним скрытым увеличением доли нелинейной нагрузки всей сети здания.
Таким образом, можно утверждать, что в течение рабочего дня в сети НН определенного исполнения значение Κu изменяется в широких пределах в зависимости от доли нелинейной нагрузки всей сети здания а1, которая определяется в конкретном нагрузочном режиме в соответствии с сезонным суточным графиком нагрузок.
Рассмотрим, как влияет на несинусоидальность напряжений изменение нагрузочного режима путем повышения мощности питающего трансформатора. При этом определим, является ли повышение мощности питающей сети эффективным способом снижения несинусоидальности напряжений в сетях НН. На рис. 4.7 показаны зависимости Ки на ГРЩ здания (кривые I) и зажимах удаленного электроприемника групповой сети (кривые 2) от а1 для вариантов исполнения сети с трансформаторами мощностью 100, 250 и 1000 кВА.
При этом суммарная мощность электроприемников во всех рассматриваемых вариантах составляет 100 кВ А, а значения Ки для сети с трансформаторами мощностью 250 и 1000 кВ А приведены к первой гармонике соответствующих напряжений сети с трансформатором мощностью 100 кВ А. Из рисунка видно, что при использовании трансформатора мощностью 250 кВ А Κu на ГРЩ уменьшается в 3,4—3,6 раза, а при использовании трансформатора мощностью 1000 кВ А — в 2,7—2,9 раза по сравнению с использованием трансформатора мощностью 100 кВ А. Полученные результаты показывают, что 10- кратное завышение мощности питающего трансформатора (S= 1000 кВ А) может обеспечить значения Ки на вводе в здание, которые удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109—97. Больший эффект по снижению Ки в сети с трансформатором мощностью 250 кВ А можно объяснить его относительно небольшим сопротивлением нулевой последовательности по сравнению с трансформаторами мощностью 100 и 1000 кВ А (см. параграф 4.2). В результате при использовании трансформатора мощностью 250 кВ А снижение Κu происходит за счет как завышения мощности, так и уменьшения сопротивления нулевой последовательности питающего трансформатора.
Следует отметить, что при повышении мощности питающего трансформатора наряду со снижением продольного сопротивления питающей сети происходит увеличение абсолютных значений токов высших гармоник (особенно кратных трем) во всех элементах сети здания. Поэтому не происходит более ощутимое (в соответствии с кратностью завышения мощности трансформатора) снижение Ки на ГРЩ. По этой же причине еще меньшим является снижение Κu на зажимах электроприемников групповой сети. Из рис. 4.7 (кривые 2) видно, что упомянутый Ки при использовании трансформаторов завышенной мощности снижается меньше, чем в 2 раза. Это объясняется тем, что во всех рассматриваемых вариантах исполнения сети параметры стояков и линий групповой сети и, соответственно, их сопротивления остаются неизменными. В результате падения напряжения от токов высших гармоник в стояках и линиях групповой сети для вариантов с трансформаторами мощностью 250 и 1000 кВ·А будут больше, чем для варианта с трансформатором мощностью 100 кВ А. Особенно сильно это проявляется при а, > 0,25 (при высоком уровне высших гармоник тока), когда снижение Κυ на зажимах электроприемников групповой сети составляет только 30—40 % значения Ки при использовании трансформатора мощностью 100 кВ-А.
Кроме того, упомянутое увеличение уровня токов гармоник, кратных трем, приведет к увеличению тока в нулевом проводе сети. Анализ полученных результатов показывает, что при использовании рассматриваемых трансформаторов завышенной мощности токи гармоник, кратных трем, увеличиваются в 1,5 раза по сравнению с соответствующими токами в сети с трансформатором мощностью 100 кВ А. В результате ток в нулевой жиле кабеля стояка превышает 100—130 % (при разных значениях а1) фазного тока кабеля стояка со всеми вытекающими отрицательными последствиями.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что повышение мощности питающего трансформатора приводит с одной стороны, к некоторому снижению несинусоидальности напряжений на зажимах электроприемников, а с другой — к увеличению несинусоидальности токов в элементах сети НН. Поэтому принимать решение об использовании трансформатора завышенной мощности для снижения уровня высших гармоник следует в каждом конкретном случае с учетом имеющихся возможностей дополнительного применения других способов и средств решения указанной проблемы.
