Сети напряжением до 1 кВ (цеховые) являются важнейшим звеном в системе электроснабжения и представляют собой большую область в проектировании электрической части промышленных предприятий.
В настоящее время каждое промышленное предприятие находится в состоянии непрерывного развития. Наиболее распространенными для цеховых электрических сетей являются напряжения 380 В (трех- и четырехпроводные системы с заземленной нейтралью) и 660 В. Несимметрия напряжений является одним из основных показателей качества, в значительной мере определяющим экономичность и надежность электроснабжения [1,2].
Несимметричные режимы в системах электроснабжения до 1 кВ возникают из-за несимметрии электрических нагрузок, которая вызывается подключением либо однофазных потребителей электроэнергии, либо трехфазных с несимметричным потреблением мощности по фазам.
Значительное распространение несимметричных нагрузок приводит к существенным нарушениям симметрии токов и напряжений в трехфазных распределительных электрических сетях.
Несимметричные режимы характеризуются наличием составляющих токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей, которые приводят к следующим неблагоприятным последствиям:
1. Появляется опасность перегрузки трехфазных электрических двигателей токами обратной последовательности. Синхронные и асинхронные двигатели имеют малое сопротивление обратной последовательности. Даже небольшие по значению напряжения обратной последовательности в СЭС могут вызвать существенные токи обратной последовательности в двигателях, которые, накладываясь на токи прямой последовательности, вызывают токовую перегрузку отдельных фаз двигателя и, следовательно, дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя [3].
2. Появляются дополнительные потери активной мощности и электрической энергии, обусловленные протеканием токов обратной и нулевой последовательностей в элементах СЭС до 1 кВ [4].
3. За счет потерь напряжения от токов обратной и нулевой последовательностей появляются дополнительные отклонения напряжения в отдельных фазах СЭС до 1 кВ, которые не устраняются обычными (трехфазными) средствами регулирования напряжения [5].
Обследование сетей различных областей промышленности, проведенное в последнее время, позволило установить, что в большинстве случаев несимметрия напряжений по нулевой последовательности в СЭС до 1кВ превосходит значения 2%, допустимое согласно ГОС Т 13109-97 [6,7].
Нормы на качество электрической энергии определяют область допустимых несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ, которую можно существенно расширить путем использования симметрирующих устройств. Теоретически при любой несимметрии нагрузок в СЭС до 1 кВ можно синтезировать симметрирующее устройство, состоящее из индуктивных и емкостных элементов, которое полностью устранит несимметрию напряжения.
Однако симметрирующие устройства не нашли широкого применения, поскольку несимметрия в СЭС, как правило, нестационарна, а регулируемые симметрирующие устройства сложны, дороги и являются источником несинусоидальных токов [8-15].
Несимметричный режим может быть вызван продольной или поперечной несимметрией СЭС [16].
Продольная несимметрия обусловлена несимметрией одного (или нескольких) элементов электрической сети СЭС, если параметры схемы замещения отдельных фаз этого элемента не одинаковы. Примером продольной несимметрии могут служить неполнофазные режимы СЭС, когда в одном из элементов электрической сети произошел обрыв фазы, и передача электроэнергии через этот элемент осуществляется по двум фазам.
Поперечная несимметрия обусловлена несимметрией нагрузок СЭС или несимметричным КЗ. Примером поперечной несимметрии могут служить: межфазное КЗ; однофазное и двухфазное КЗ на землю в электрических сетях с заземленной нейтралью; однофазное замыкание на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью; режим с несимметричными нагрузками в СЭС.
Если несимметрия напряжения выходит за допустимые пределы, нарушается нормальная работа других электроприемников, присоединенных к той же сети, ухудшаются технико-экономические показатели систем электроснабжения потребителей.
Наиболее чувствительной к несимметрии является электродвигательная нагрузка. Синхронные и асинхронные двигатели имеют малое сопротивление обратной последовательности (сопротивление обратной последовательности электродвигателей в 5-8 раз меньше сопротивления прямой последовательности), поэтому даже небольшая несимметрия напряжения (1%) той же последовательности в СЭС вызывает значительную несимметрию токов в обмотках (7-9%). Токи обратной последовательности в двигателях накладываются на токи прямой последовательности и вызывают перегрузку отдельных фаз и, следовательно, дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя [17].
Известно, что при напряжении обратной последовательности, составляющем 4% номинального, срок службы асинхронных двигателей, работающих с номинальной нагрузкой, уменьшается примерно в 2 раза по сравнению с нормативным. Если же несимметрия напряжения по обратной последовательности составляет 5%, то располагаемая мощность двигателя уменьшается на 5-10%.
Несимметрия линейных напряжений вызывает изменение реактивной мощности, генерируемой батареями статических конденсаторов. При приращении мощности по сравнению с номинальной в наиболее загруженной фазе тепловые потери могут значительно превысить номинальное значение, что приведет к перегреву изоляции и снижению срока службы конденсаторов [4].
Даже незначительные изменения показателей качества электроэнергии наносят ущерб, который в первую очередь касается таких ответственных потребителей, как автоматические системы управления технологическими процессами, компьютерные системы связи и обработки информации, которые занимают ведущее место на гибких автоматизированных производствах, где вычислительные машины и микропроцессоры используются в технологическом цикле [6,7].
Вычислительные машины чрезвычайно чувствительны к нестабильности питающего напряжения, и информация, хранящаяся на ЭВМ, может быть потеряна. Это влечет за собой нарушение технологического процесса на предприятии и приводит к браку выпускаемой продукции.
Мероприятия по снижению несимметрии напряжений сводятся, в основном, к равномерному распределению однофазных нагрузок по фазам таким образом, чтобы коэффициент несимметрии напряжений не превышал допустимых пределов.
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.
Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позволяет снизить коэффициент несимметрии напряжений до допустимого значения. В таких случаях для снижения несимметрии применяются специальные симметрирующие устройства.
Симметрирование несимметричных нагрузок с низким коэффициентом мощности можно осуществить с помощью несимметричной батареи конденсаторов или схемой Штейнметца.
Перспективными вариантами улучшения симметрии напряжений трехфазной системы являются схемы преобразования числа фаз, обеспечивающие равномерную загрузку питающей сети.
Также используют симметрирующие устройства трансформаторного типа. Трансформаторные схемы питания однофазных нагрузок от трехфазной сети позволяют улучшить загрузку по току для фаз трехфазной сети и добиться необходимого значения напряжения на нагрузке. Если однофазную нагрузку подключить к трехфазной сети с помощью двух однофазных трансформаторов Т1 и Т2, включенных по системе Скотта, то получим СУ с двойным преобразованием числа фаз.
По данной схеме питаются индукционные плавильные печи, однофазные соляные ванны для нагрева под закалку инструмента из быстрорежущей стали, однофазные электропечи для графитезации.
Однако данная схема не компенсирует токи обратной последовательности и соответственно не устраняет в полной мере последствия несимметрии токов и напряжений. Так же схема Скотта, как и все трансформаторные схемы, имеет низкий коэффициент мощности сети (0,7 cosφ) [18].
Симметрирование токов и напряжений выполняют с использованием делителей напряжения или автотрансформаторов, где последние преобразуют напряжение до требуемой величины и фазы на реактивных элементах схемы, для лучшей их загрузки по мощности [19]. Простейшая схема с использованием делителя и емкости изображена на рис. 4.
На рис. 5 приведена схема для симметрирования нагрузки переменного характера. Симметрирование выполняется с помощью изменения величины емкости или индуктивности. Схема характеризуется достаточно высоким коэффициентом мощности [3]. Данная схема не нашла широкого применения из-за большого числа реактивных элементов и своей сложности.
Одним из наиболее простых методов уменьшения несимметрии напряжений (токов) в ходе эксплуатации СЭС до 1 кВ является выравнивание токов фаз естественным путем, т.е. равномерным распределением однофазных нагрузок по фазам [14]. Однако в действительности достичь этого практически не удается. Поэтому приходится применять специальные методы и средства симметрирования трехфазных систем. К таким мероприятиям относятся: изменение параметров элементов распределительных сетей (увеличение сечения проводов, изменение схемы соединения обмоток распределительных трансформаторов и т.п.) и др. [8-15].
Эти методы неэффективны, так как требуют значительных перерасходов дорогостоящиих материалов. Кроме того, полностью устранить несимметрию напряжений не удается. Следует также учитывать, что за последнее время электротехнология претерпела явные изменения. Увеличилось количество однофазных нагрузок и возросла мощность единичных трехфазных нагрузок [21].
Поэтому искусственное симметрирование и компенсация реактивной мощности несимметричной трехфазной нагрузки может дать определенный экономический эффект [8-15].
В комплексе мероприятий, направленных на повышение качества электрической энергии, существенное значение уделяется вопросу устранения несимметрии напряжений и токов в электрических сетях промышленных предприятий.
Решение этого вопроса позволит повысить надежность электроснабжения и снизить потери электроэнергии. Поэтому искусственное симметрирование и компенсация реактивной мощности несимметричной трехфазной нагрузки может дать определенный экономический эффект [8-15].
Исследования показывают, что обе эти задачи могут быть успешно решены с помощью несимметричных установок поперечно-емкостной компенсации, т.е. таких, у которых величины емкостей по фазам неодинаковы. Такие трехфазные несимметричные конденсаторные установки могут не только компенсировать угловые сдвиги в каждой фазе, но и перераспределить нагрузку таким образом, что она станет одинаковой в каждой фазе.
Подобными несимметричными конденсаторными установками принципиально возможно осуществлять индивидуальную и групповую компенсацию однофазных приемников или централизованную со стороны питающего напряжения понизительных трансформаторов.
В работе [22] предложена следующая градация способов симметрирования:
• преобразовательный способ, основанный на преобразовании видов энергии [23,24];
• коммутационный способ, основанный на циклической коммутации однофазной нагрузки к фазам сети [25];
• фильтровый способ, основанный на неодинаковости параметров по отношению к составляющим различных фазовых последовательностей [17];
• компенсационный способ, основанный на компенсации тока (напряжения) обратной и нулевой последовательностей с помощью специального симметрирующего устройства (СУ) [18].
В системах электроснабжения до 1 кВ наибольшее применение нашел компенсационный способ, имеющий более высокие технические показатели по сравнению с остальными [21]:
• создание унифицированных средств, позволяющих снизить одновременно с несимметрией токов (напряжений) и уровни высших гармоник, компенсировать реактивную мощность [13];
• возможность симметрирования с заданной точностью;
• синтез параметров СУ осуществляется исходя из условий поддержания несимметрии токов и напряжений в допустимых пределах при высоком коэффициенте мощности и минимальной мощности элементов СУ.
Симметрирующие устройства, использующие компенсационный способ, могут быть регулируемыми и нерегулируемыми, при построении этих устройств могут быть использованы электрические либо электромагнитные связи [21].
Для современных СЭС до 1 кВ необходимы унифицированные симметро-компенсирующие устройства, позволяющие устранить несимметрию напряжений (токов) и скомпенсировать реактивную мощность в четырехпроводных сетях при наличии в них нелинейных искажений.