Несимметрия фаз: Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Несимметрия напряжения | Тесла

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Нормы приведенных показателей установлены в 1, 2.

1 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

2 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

  Причины, которые вызывают несимметрию

Напряжение в трехфазной сети может быть симметричным. Несимметричное напряжение нормируется по его параметрам  на основной частоте.

Если амплитуды фазных напряжений равны и сдвиг фаз (угол между ними) одинаков, то напряжение симметрично. Аналогичное определение может быть распространено и на токи.

Рисунок 1 — Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая искажение симметрии напряжения

При этом всегда при оценке несимметрии напряжения трехфазной сети в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 имеют в виду напряжение (ток) основной частоты (1-я гармоника). Тогда как несим­метричная система может быть образована на любой частоте, в том числе и на частоте высших гармоник. Это обстоятельство необхо­димо учитывать при расчете или измерении симметричных составляющих напряжений (токов) в сети с несинусоидалышм напряже­нием следующим образом: сначала выделяют основную гармонику напряжения, а затем рассчитывают ее симметричные составляющие.

Причин несимметрии напряжений много, но основная из них — это несимметрия токов в сети, что обусловлено неравенством нагрузки по фазам. Значительная часть бытовых и

промышленных электроприемников имеют одно- или двухфазное исполнение и при­соединяются к сетям 380 В. Именно для питания таких электропри­емников сети напряжением 380 В имеют четырехпроводное исполне­ние. Обмотка 380 В трансформаторов, питающих такие сети, соеди­нена в «звезду», а ее нейтраль выводится четвертым токоведушим проводом. Без «нулевого» провода эксплуатация сети невозможна. При его обрыве наступает аварийная ситуация, обусловленная существенной несимметрией напряжения. При этом на отдельных фазах напряжение приближается к междуфазному (380 В), а на дру­гих — к нулю.

Несимметрия напряжений наблюдается в сетях 6—10 кВ как результат нссимметрии нагрузки в сетях 380 В. Подключенные к сетям 6—10 кВ электроприемники имеют трехфазное исполнение. Однако и среди них имеются такие, которые способны создавать несимметрию. К ним относятся, например, дуговые сталеплавильные

печи. Регулирование тока электрической дуги в таких печах осущест­вляется пофазно. В режиме расплава могут возникать и эксплуатаци­онные несимметричные короткие замыкания. Высокопроизводитель­ные ДСП-100 и ДСП-200 получают питание от сетей 110—330 кВ.

В сетях высокого напряжения несимметрия может быть обуслов­лена конструкцией линии из-за неравенства ее сопротивлений по фазам. Для симметрирования сопротивлений фаз линии проводят транспозицию фазных проводов, что требует сооружения специаль­ных транспозиционных опор. Конструкции таких опор сложные и дорогостоящие, кроме того, они являются элементами, повреждения в которых наиболее вероятны. Поэтому количество опор стремятся уменьшить, что, естественно, отражается на симметрии напряжений, но способствует повышению надежности электроснабжения.

Еше одна причина несимметрии напряжений — это неполнофазные режимы в сетях с изолированной нейтралью. Их относят к осо­бым, но допустимым по условиям эксплуатации режимам. Эти режимы допускают для сохранения электроснабжения потребителей в ущерб симметрии напряжений на приемном конце такой линии. К таким же особым режимам следует отнести режимы с замыканием на землю одной из фаз в сетях с изолированной нейтралью.

Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметрич­ными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулеой последовательности. Прямая последовательность является основ­ной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Утроенное значение токов нулевой последовательности в нулевых проводах сетей напряжением 380 В приводит к их пере­грузке. Замыкаясь в обмотках трансформаторов, соединенных в «треугольник», токи нулевой последовательности создают эффект подмагничивания. Однако благодаря этому токи нулевой последова­тельности не проникают в сеть 6—10 кВ из сети 380 В.

Ущерб от искажения симметрии напряжения

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несим­метрии напряжения по обратной последовательности К_2и согласно ГОСТ 13109—97 для сетей всех номинальных напряжений составляют соответственно ±2 и ±4 %.

Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к воз­никновению токов обратной последовательности I

2_U, а в четырехпроводных сетях — токов нулевой последовательности I_OU.

Токи I_2U вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вра­щения роторов асинхронных двигателей и производительность при­водимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увели­чение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности и, как следствие, снижением напряжения.

При несимметрии напряжений, составляющей 2 %, срок службы асинхронных двигателей ввиду дополнительных потерь активной Мощности сокращается на 10,8 %, синхронных — на 16,2 %, транс­форматоров — на 4 %, конденсаторов — на 20 %. Для того чтобы избежать дополнительного нагрева, нагрузка двигателя (момент на валу) должна быть снижена.

Согласно МЭК 892 номинальная нагрузка двигателя допускается при К_2U < 1 %.

При коэффициенте обратной последовательности 2 % нагрузка двигателя должна быть снижена до 96 %, при 3 % — до 90 %, при 4 % — до 83 % и при 5 % — до 76 %. Эти цифры справед­ливы при условии, что двигатель работает с постоянной нагрузкой т.е. в установившемся тепловом режиме.

Исследования, проведенные в энергосистемах Урала и Сибири, где источником несимметрии являются электрифицированные желез­ные дороги (ЭЖД), горно-обогатительные комбинаты, лесопромыш­ленные комплексы, показали, что максимальные значения К_2U наблю­дались в пределах полигонов Западно-Сибирской электрифицирован­ной железной дороги: 1,5 % в сетях 220 кВ, 7,5 % в сетях 27,5 кВ и 9,2% в сетях 10,5 кВ. Аналогичные значения были получены при измерениях в сетях Южно-Уральской и Восточно-Сибирской ЭЖД.

Под воздействием этих искажений были зарегистрированы пре­ждевременный выход из строя крупных синхронных машин, насос­ных станций в западной части Иркутской энергосистемы, нарушения работы устройств сигнализации и блокировки на Южно-Уральской ЭЖД.

Опасные условия для эксплуатации четырехпроводных сетей напряжением 0,38 кВ с однофазной нагрузкой (коммунально-быто­вые сети, сети жилых зданий и поселков) создаются за счет смеще­ния нейтрали, обусловленного повышенным сопротивлением нуле­вого провода. Крайним аварийным режимом является режим, обусловленный обрывом нулевого провода, когда фазные напряжения (220 В) возрастают до междуфазных (380 В) или дости­гают близких к ним знаний.

Способы снижения несимметрии напряжения

Общая характеристика способов симметрирования

Существующие способы, направленные на симметрирование фазных токов в распределительной сети 0,38 кВ, ведущие к снижению дополнительных потерь и улучшению качества электрической энергии, можно разделить на следующие группы:

1)   Периодическое выравнивание по фазам трёхфазной сети однофазных нагрузок (перераспределение однофазных нагрузок).

2)   Уменьшение сопротивления нулевой последовательности отдельных элементов электрической сети (трансформаторов потребительских ТП и линий электропередачи).

3)   Применение замкнутых и полузамкнутых схем.

4) Поперечная компенсация реактивной мощности.

Рассмотрим эти способы более подробно.

1. Перераспределение однофазных нагрузок

Это наиболее простой, доступный в условиях эксплуатации электрических сетей, способ, не требующий капитальных затрат. Его применение позволяет существенно уменьшить несимметрию напряжений и токов (ННТ) в электрических сетях с коммунально-бытовой и смешанной нагрузками.

Многолетние наблюдения в распределительных сетях 0,38 кВ показали, что правила симметричного подключения однофазной нагрузки нарушаются в 90% случаев. Такая халатность службы электрификации отдельных хозяйств приводит к тому, что хозяйство терпит значительные убытки от низкого качества и дополнительных потерь электрической энергии, обусловленных ННТ, но не предпринимает мер для обеспечения перераспределения нагрузок. Следует отметить, что некоторые хозяйства не имеют даже средств контроля распределения нагрузки, простых токоизмерительных клещей.

В месте с тем, перераспределение нагрузок производить необходимо, так как проведенными исследованиями установлено, что потери электрической энергии, обусловленные ННТ, могут быть снижены на 15…20 %. Кроме того, значительно улучшается качество электрической энергии и, в первую очередь, такие основные показатели качества как отклонение напряжения, коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения.

Поэтому, для минимизирования ННТ необходимо проводить следующие мероприятия.

1. Периодический (не реже одного раза в год) контроль состояния несимметрии токов и напряжений в распределительной сети 0,38 кВ,

путем осуществления замеров этих величин на трансформаторной подстанции (ТП).

1. Замена неполнофазных ответвлений на полнофазные.
2. Составление карты (схемы) распределения нагрузок в сети, и осуществление дальнейших подключений в соответствии с этой схемой.

2. Снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электрической сети

Минимизация дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в сети 0,38 кВ возможна при уменьшении сопротивления нулевой последовательности её отдельных элементов. Вместе с тем, пользоваться этим способом необходимо весьма осторожно, так как исследованиями, проведёнными в Санкт-Петербургском ГАУ установлено, что уменьшение сопротивления R0 сети приводит к увеличению в ней токов нулевой и обратной последовательностей, т.е. к увеличению коэффициентов К_0i и К_2i,. Поэтому увеличение сечения нулевого провода более 0,75 сечения фазного провода не приводит к заметному снижению дополнительных потерь мощности в сельских распределительных сетях. Кроме того, известно, что сечения фазных и нулевого проводов выбираются по экономическим нагрузкам, которые соответствуют минимуму приведённых затрат. Переход на следующий номинал сечения провода требует дополнительных капитальных вложений, которые составляют 6% от стоимости сети 0,38 кВ. Это приводит к неоправданному удорожанию сети 0,38 кВ.

В качестве инструмента по снижению сопротивления нулевой последовательности линии использовать фонарный провод, как способ увеличения сечения нулевого провода. Однако данный способ не применим для снижения несимметрии токов по тем же причинам, что и непосредственное увеличение сечения нулевого провода. Кроме того, подключение осветительного провода на параллельную работу с нулевым проводом возможно только в дневное время суток, тогда как значительная несимметрия нагрузок проявляется в наибольшей мере в вечерние часы.

Снижение сопротивления нулевой последовательности сети 0,38 кВ может быть достигнуто заменой трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулём» на трансформатор со схемой соединения обмоток «звезда-зигзаг с нулём».

В сельских распределительных сетях 0,38 кВ наиболее распространёнными в настоящее время являются трансформаторы с соединением обмоток по схеме «звезда-звезда с нулём». Это обусловлено тем, что они имеют более простое конструктивное выполнение и меньшие размеры, а следовательно и меньшую стоимость по сравнению с трансформаторами с другой схемой соединения обмоток. К ним присоединяются как трёхфазные, так и однофазные электроприёмники. Однако эти трансформаторы имеют большое сопротивление токам нулевой последовательности, которое в среднем в 10 раз, а иногда и более, превышает сопротивление прямой последовательности.

В трансформаторах с соединением обмоток по схеме «звезда-зигзаг с нулём» на каждом сердечнике имеет место магнитное равновесие между первичными и вторичными ампервитками при однофазной нагрузке. Сопротивление нулевой последовательности вторичной обмотки таких трансформаторов пропорционально потокам рассеяния, создаваемым полуобмотками, расположенными на общем сердечнике. При правильном конструктивном выполнении обмоток этот поток рассеяния может быть уменьшен до нуля и индуктивность нулевой последовательности тоже может быть сведена к нулю.

Вместе с тем, соединение обмотки трансформатора «в зигзаг» требует большого расхода цветного материала. Вес обмотки, при прочих равных условиях, увеличивается приблизительно на 7%, а количество цветного материала увеличивается в 1,16 раза. Поэтому общий вес цветного материала всего трансформатора получается на 7…8 % больше, чем при соединении обмотки низшего напряжения «в звезду». В целом, из-за дополнительного расхода обмоточного провода, стоимость трансформатора с соединением обмоток по схеме «звезда-зигзаг с нулём» увеличивается на 30% по сравнению с трансформаторами с соединением обмоток по схеме «звезда-звезда с нулём».

Теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в Санкт-Петербургском ГАУ, показали, что в сельских сетях 0,38 кВ с имеющимся уровнем несимметрии нагрузок в них невозможно обеспечить снижение потерь электроэнергии заменой трансформаторов со схемой «звезда-звезда с нулём» трансформаторами со схемой «звезда-зигзаг с нулём» или другими трансформаторами с малым сопротивлением нулевой последовательности Z₀

по следующим причинам :

1)        применение в сетях 0,38 кВ трансформаторов с малым сопротивлением нулевой последовательности приводит, по сравнению с трансформаторами со схемой «звезда-звезда с нулём», к увеличению в линии и трансформаторе токов нулевой и обратной последовательностей;

2)        эквивалентное сопротивление нулевой последовательности сети с трансформаторами, имеющими малое сопротивление Z₀, определяются в основном сопротивлением линии, которое на порядок выше сопротивления таких трансформаторов.

В связи с увеличением токов обратной последовательности в сети с трансформаторами, имеющими малое сопротивление Z₀, в узлах нагрузки возрастает напряжение обратной последовательности, отрицательно влияющее на работу трёхфазных асинхронных электродвигателей. Поэтому применение таких трансформаторов в сетях со смешанной нагрузкой не рекомендуется.

Вместе с тем, трансформаторы с малым сопротивлением нулевой последовательности со схемой «звезда-зигзаг с нулём» и другие позволяют существенно снизить в узлах нагрузки напряжение нулевой последовательности. В связи с этим, их применение целесообразно в сельских сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой для повышения качества электрической энергии. Так, например, довольно эффективно применение специального трансформатора, разработанного в Белорусском ГАУ под руководством профессора А.П. Сердешнова

.3. Применение замкнутых и полузамкнутых схем сети 0,38 кВ

Снижение несимметрии токов за счёт дополнительного эффекта выравнивания нагрузок фаз может быть получено при переводе сети 0,38 кВ в режим полузамкнутой или замкнутой сети. В первом случае замыкается сеть, питающаяся от одного распределительного трансформатора (РТ), во втором — от нескольких РТ. Наиболее благоприятно, в отношении выравнивания нагрузок по фазам, замыкание линий, присоединяемых к одному РТ, поскольку напряжение на клеммах трансформатора при этом одинаково по величине и по фазе для всех линий. При этом точки токораздела устанавливаются между точками питания для каждой из фаз линии. Эти нагрузки будут тем больше выравниваться, чем больше будет число замыкаемых линий сети низшего напряжения.

Выравнивание нагрузки фаз в замыкаемых линиях снижает несимметрию напряжений вдоль линии. Поскольку в каждой из замыкаемых линий величины и фазы симметричных составляющих токов и напряжений являются случайными величинами, то математическое ожидание напряжения обратной последовательности составляет 33% от максимального в незамкнутых линиях.

Замыкания сети благоприятно сказывается на выравнивании нагрузок фаз и перераспределении симметричных нагрузок между участками сети. Таким образом, при замыкании сети повышается качество напряжения, уменьшаются потери за счёт разгрузки нулевого и фазных проводов. Однако в этом случае необходимо учитывать следующее:

—     в замкнутой сети, содержащей в себе несколько распределительных трансформаторов, неизбежно будут протекать уравнительные токи, которые создают дополнительные потери мощности и электрической энергии;

экономическая эффективность данного способа уменьшается с увеличением числа замыкаемых магистралей.

4. Поперечная компенсация реактивной мощности

Использование конденсаторных установок поперечной компенсации реактивной мощности электрических сетей для снижения несимметрии токов достаточно полно рассмотрено во многих источниках.

Путём несимметричного распределения по фазам мощностей конденсаторных батарей, предназначенных для компенсации реактивной мощности в электрической сети, можно одновременно с повышением коэффициента мощности добиться компенсации токов обратной последовательности в линии и трансформаторе. Следует отметить, что этот способ может быть применим в том случае, когда обеспечивается определённая стабильность несимметрии нагрузок в сети, что характерно для ННТ.

 

94. Несимметрия в электрических сетях и мероприятия по ее снижению.

Причины возникновения несимметричных режимов.
Симметричная трехфазная система напряжений характери­зуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны. Несимметричные режимы в элек­трических сетях возникают по следующим причинам: 1) неодинаковые нагрузки в различных фазах; 2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети; 3) различные параметры линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает изза неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников (ЭП) малой мощности. Количество таких однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распреде­лять по фазам для уменьшения несимметрии.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных ЭП, а в ряде случаев и трехфазных ЭП с неодинаковым потреблением
в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ—это однофазные термические установ­ки, руднотермические печи, индукционные плавильные пе­чи, печи сопротивления и различные нагревательные уста­новки. Кроме того, несимметричные ЭП — это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции элек­трифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы — однофазные ЭП. Мощность отдельных однофазных ЭП в настоящее время достигает нескольких мегаватт.

Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несим­метрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз­кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе­регружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия) [15].

Неполнофазная работа элементов сети вызывается крат­ковременным отключением одной или двух фаз при корот­ких замыканиях (КЗ) либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно обору­довать устройствами пофазного управления, которые отклю­чают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда дей­ствие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого КЗ. В подавляющем большинстве устойчивые КЗ однофазные.
При этом отключение поврежденной фазы приводит к со­хранению двух других фаз линии в работе. В сети с за­земленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режимы могут быть эффективными в мало освоенных районах Сибири и Дальнего Востока, хотя их применение требует специальных расчетов и обоснований. Неполнофазные ре­жимы могут возникать и при отключении трансформаторов. В некоторых случаях для группы, составленной из одно­фазных трансформаторов, при аварийном отключении од­ной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка ре­зервной фазы, особенно при наличии двух групп однофаз­ных трансформаторов на подстанции.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транс­позиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается вырав­нивание параметровфаз линии, для которого обычно и применяется транспозиция (см. § 1.3, рис. 1.5).

Влияние несимметрии напряжений и токов. Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательно­сти U₂, U₀, I₂, I₀ приводит к дополнительным потерям мощ­ности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I₂, I₀ увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряже­ния и токи этих же последовательностей — в поперечных
ветвях.

Наложение U₂ и U₀ приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результа­те напряжения могут выйти за допустимые пределы. Нало­жение I₂ и I₀ приводит к увеличению суммарных токов в от-дельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются условия их нагрева и уменьшается пропускная способность.

Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристик вращающихся электрических машин. Ток прямой последовательности в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхрон­ной частотой в направлении вращения ротора. Токи обрат­ной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению. Из-за этих токов двойной частоты в электрической машине возникают тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к сокращению срока службы изоляции.

В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проекти­ровании увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не принимать специальные меры по симметри­рованию напряжения. В синхронных машинах кроме дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели
и БК уменьшают выработку реактивной мощности.

Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в промышленных сетях, включает стоимость дополнительных потерь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию от капитальных затрат (см. § 6.2), технологический ущерб, ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп, установленных в фазах с пониженным напряжением, и со­кращением срока службы ламп, установленных в фазах с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения ре­активной мощности, генерируемой БК и синхронными дви­гателями.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициен­том обратной последовательности напряжений и коэффициентом нулевой последовательности напряжений , нормальное и максимальное допустимые значения которых по ГОСТ 13109—87 составляют 2 и 4 %.

Симметрирование напряжений в сети сводится к компенсации тока и напряжения обратной последовательности.
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 (например когда часть мощных одно­-
фазных ЭП работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах). В этих случаях необходимо применять специальные симметрирующие устройства. Известно большое число схем симметрирующих устройств, часть из них выполняется управ­ляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.

Для симметрирования однофазных нагрузок применяет­ся схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на ли­нейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.

Для симметрирования двух- и трехфазных несимметрич­ных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощно­стями БК, включенными в треугольник. Анализ работы этой
схемы приведен в § 11.4. Иногда применяют симметрирующие устройства со специальными трансформаторами и автотрансформаторами. Поскольку симметрирующие устрой­ства содержат БК, целесообразно применять такие схемы, в которых одновременно симметрируется режим и генери­руется Q с целью ее компенсации. Устройства для одновре­менного симметрирования режима и компенсации Q нахо­дятся в стадии разработки.

Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I₀ и снижения сопротивления нулевой последовательности Z₀ в элементах сети. Уменьшение I₀ в первую очередь достигается перераспределением нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использова­нием сетей, в которых все или часть трансформаторов ра­ботают параллельно на стороне НН. Снижение Z₀ можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ, которые обычно сооружаются в районах с малой плотностью на­грузки. Целесообразность уменьшения Z₀ для кабельных линий, т. е. увеличения сечения нулевого провода, должна быть специально обоснована  соответствующими техникоэкономическими расчетами.

Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распредели­тельного трансформатора (РТ) 6—10/0,4 кВ. Большинство
РТ, установленных в сетях, имеют схему звезда — звезда с нулем (У/Уо). Такие РТ дешевле, но у них велико Z₀. Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой РТ, целесообразно применять схемы соединения треугольник—звезда с нулем (Д/Уо) или звезда—зигзаг (У/Z). Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение схе­мы У/Z. Распределительные трансформаторы с таким со­единением более дорогие, и изготовление их очень трудоем-
ко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и Z₀ линий.

В начало

Асимметрия фаз и почему это важно

Механическое и электрическое поведение машин тесно связаны. Системы MBVI могут дать новое представление о том, как ведет себя оборудование, указывая на некоторые из скрытых нагрузок, говорит операционный директор Faraday Predictive Джефф Уокер. инженеры-электрики. Но на самом деле асимметрия фаз важна для инженеров по техническому обслуживанию по нескольким причинам.

Может вызывать значительные дополнительные механические нагрузки на валы и передачи в результате создаваемых крутильных колебаний; это может сократить срок службы ваших двигателей в результате повышенного тепловыделения внутри двигателя; и это само по себе может быть вызвано определенными механическими аспектами машины, которые создают колебания крутящего момента на определенных частотах.

Что с этим делать?

Причины асимметрии фаз

Асимметрия фаз означает, что три фазы трехфазного питания не имеют одинаковой величины – например, здесь одна фаза (красная) больше двух других:

Асимметрия фаз может возникать либо по напряжению, либо по току, либо, скорее всего, по обоим.

Асимметрия напряжения обычно вызвана подачей электроэнергии к машине, а не самой машиной.

Асимметрия тока может быть вызвана либо асимметрией напряжения, либо проблемой с проводкой к двигателю, неисправностью двигателя или поведением приводимой машины.

Неравное сопротивление в кабелях, идущих к двигателю, может привести к снижению тока в одной фазе. Обычно проблема возникает в ненадежных или ослабленных разъемах. Тепловизионные камеры часто могут помочь быстро определить проблему такого рода.

Механическое поведение , которое создает более высокую скручивающую нагрузку на машину в одном и том же месте при каждом обороте вала, например, трение деформированного тормозного диска или эллиптического тормозного барабана, или трение изогнутого или эксцентрикового вала, также может привести к дисбалансу тока. Поскольку более высокая нагрузка приводит к более высокому току, трение в одной и той же точке при каждом обороте вызовет более высокий ток в соответствующей точке обмотки статора.

Влияние асимметрии фаз

Небаланс тока приводит к нагреву обмоток статора, так как для обеспечения того же общего крутящего момента требуется более высокий ток. Обычно 1 % дисбаланса напряжения вызывает 5 % дисбаланса тока, что приводит к повышению температуры на 10 ÅãC, что, в свою очередь, вдвое сокращает срок службы обмоток двигателя.

Небаланс тока приводит к колебательному крутящему моменту на выходе двигателя, что создает дополнительные нагрузки на валы, муфты и срезные штифты.

На первой диаграмме ниже представлена ​​полярная диаграмма напряженности магнитного поля (которое управляет крутящим моментом двигателя) в трехфазном двигателе. Когда все три фазы равны, получается магнитное поле постоянной силы, вращающееся с постоянной скоростью.

Если одна из фаз слабее, например, из-за высокого сопротивления в подаче на эту фазу, магнитное поле, создаваемое этой фазой, будет слабее, чем две другие, что приведет к эллиптической диаграмме крутящего момента (средний рисунок). Крутящий момент увеличивается и уменьшается дважды за цикл, создавая колебательную нагрузку крутящего момента на вал, муфту, трансмиссию и ведомую машину, что может привести к усталостным отказам таких компонентов, как срезные штифты.

Процесс может работать и по-другому: нагрузка, создающая колебательный момент один раз за оборот, приведет к большему току, потребляемому фазой, связанной с расположением повышенной нагрузки (см. правую диаграмму). Таким образом, текущий дисбаланс может быть диагностическим инструментом для обнаружения проблем, включая эксцентриковые или эллиптические тормозные барабаны или трение эксцентричных или изогнутых валов.

Как объяснялось в предыдущих статьях (M&E, март/апрель и июль/август 2020 г.), системы измерения напряжения и тока на основе моделей (MBVI) используют математическую модель взаимосвязи между током и напряжением для выявления искажений формы сигнала тока. Это означает, что в дополнение к обнаружению общих электрических характеристик, таких как дисбаланс тока, они также могут обнаруживать широкий спектр более тонких механических проблем, включая дисбаланс, несоосность, проблемы с подшипниками, трение, ослабление ременных приводов и т. д., а также выявление чрезмерного потребления энергии. и отходы.

---

Подробнее см.:
www.faradaypredictive.com/technical-education/diagnostic-outputs/465-phase-unbalance-and-rubbing/
[email protected] | Телефон +44 333 772 0748

Исследование дисбаланса напряжения (асимметрии) | Омадзаки Инжиниринг

Что такое исследование дисбаланса напряжения?

Исследование дисбаланса электрического напряжения – это деятельность по проведению комплексного анализа проблемы дисбаланса напряжения в электроэнергетической системе. Исследования по анализу асимметрии напряжения помогают руководителям коммунальных предприятий и предприятий понять определение асимметрии напряжения, причин, следствий или последствий, а также определить подходящие методы смягчения последствий. Это исследование также является аспектом исследования и анализа потока нагрузки и исследования качества электроэнергии — Omazaki Engineering является консультантом, который занимается исследованиями небаланса напряжения и консультационными услугами по анализу. Если вы ищете консультантов по анализу дисбаланса напряжения и обучению для ваших проектов электрических систем или существующих объектов в Индонезии и Юго-Восточной Азии, свяжитесь с нами, отправив электронное письмо по адресу [email protected] или заполнив контактную форму.

Дисбаланс напряжения может быть очень опасен для электрооборудования. Источник проблемы должен быть тщательно изучен и исправлен. Благодаря расчету или измерению дисбаланса напряжения это может помочь сэкономить деньги и энергию за счет повышения эффективности и, возможно, предотвращения дорогостоящих отключений оборудования из-за отказа.

——————————————

Базовые знания

Определение дисбаланса напряжения

Дисбаланс или дисбаланс напряжения определяется IEEE как отношение отрицательной или нулевой последовательности компонента к компоненту положительной последовательности. Проще говоря, это изменение напряжения в энергосистеме, в котором величины напряжения или разность фаз между ними не равны. Из этого следует, что эта проблема качества электроэнергии затрагивает только многофазные системы (например, трехфазные).

В трехфазных системах дисбаланс напряжения или дисбаланс напряжения возникает, когда фазное или линейное напряжение отличается от номинального сбалансированного состояния. Нормальное сбалансированное состояние — это когда напряжения трех фаз одинаковы по величине, а фазовые углы векторно смещены на 120 градусов. Дисбаланс может быть вызван разницей в величине напряжения или фазового угла, или того и другого. С точки зрения надежности и качества электроэнергии первостепенное значение имеет хороший баланс напряжения в системе.

Причины асимметрии напряжения

Ниже приведены некоторые факторы, которые могут способствовать асимметрии напряжения:

• Несбалансированное напряжение источника электроэнергии (общедоступной сети или собственного производства)
• Неравное полное сопротивление трехфазной распределительной системы
• Несбалансированная нагрузка конденсаторов коррекции коэффициента мощности [например, перегоревший предохранитель в одной фазе]
• Неравномерное распределение однофазных нагрузок
• Нагрузка не сбалансирована, несмотря на то, что она подключена по трем фазам
• Неправильное включение трансформатора

Эффект дисбаланса напряжения

Как и падение напряжения, дисбаланс напряжения неоспорим. Проблема возникает, когда разница величины и угла напряжения превышает допустимые пределы или допустимый процент, установленный применимыми стандартами.

Последствия значительных дисбалансов напряжения в энергосистемах и оборудовании широко распространены и серьезны. Серьезный дисбаланс может резко сократить жизненный цикл оборудования, значительно ускорить цикл замены оборудования и значительно увеличить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание системы. Кроме того, для 3-фазной 4-проводной системы дисбаланс напряжения приводит к увеличению тока в нейтральном проводе и вызывает неисправность реле.

Основные последствия дисбаланса напряжения описаны ниже:

• Дополнительная потеря мощности
• Недостаток безопасности
• Отказ двигателя
• Сокращение жизненного цикла
• Неисправность реле
• Неточное измерение
• Отказ трансформатора

——————————————

Почему важно исследовать дисбаланс напряжения?

Воздействие чрезмерной асимметрии напряжения на энергосистемы и оборудование является обширным и серьезным. Серьезные дисбалансы могут значительно сократить срок службы оборудования, значительно ускорить циклы замены оборудования и значительно увеличить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание системы. Для систем с 3 фазами 4 дисбаланс напряжения приводит к увеличению тока в нейтральном проводе и вызывает выход из строя реле.

Дисбаланс напряжения приведет к дополнительным потерям мощности, снижению эффективности системы, сокращению срока службы двигателя и т. д. Кроме того, некоторые ненормальные условия эксплуатации и технического обслуживания также вызывают дисбаланс напряжения и приводят к негативным последствиям для оборудования и систем. К таким условиям относятся такие проблемы, как плохой электрический контакт, неправильная установка батарей конденсаторов, работа однофазных двигателей и т. д. Эти условия эксплуатации и обслуживания могут возникать нечасто. Однако, если это произойдет, это вызовет очень серьезные проблемы для системы или оборудования.

——————————————

Цель исследования дисбаланса напряжения

• Определить величину существующего дисбаланса напряжения и сравнить его с соответствующими стандартами.
• Для определения причин и последствий неуравновешенных напряжений в распределительных сетях и объектах потребителей.
• Для определения методов смягчения последствий для распределительных систем и промышленности.

——————————————

Снижение асимметрии напряжения

Сделать нулевую асимметрию напряжения в системе распределения явно невозможной. Из-за (а) хаотичности подключения и отключения однофазных нагрузок (б) неравномерного распределения однофазных нагрузок по трем фазам и (в) присущей энергосистеме асимметрии. Тем не менее, существуют методы смягчения последствий на уровне коммунальных систем, а также методы смягчения последствий на уровне отрасли (нагрузки), которые можно использовать для исправления чрезмерного дисбаланса напряжения.

Методы общего назначения

• Перераспределение однофазных нагрузок поровну на все фазы.
• Уменьшение дисбаланса системы, возникающего из-за импеданса системы, например, из-за трансформаторов и линий.
• Однофазные регуляторы были предложены в качестве устройств, которые можно использовать для исправления дисбаланса, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что они тщательно контролируются, чтобы не вызвать дальнейший дисбаланс.
• Пассивные сетевые системы и электронные системы с активной мощностью, такие как статический компенсатор реактивной мощности и сетевые кондиционеры, также были предложены для коррекции дисбаланса. По сравнению с пассивными системами, активные системы способны динамически корректировать дисбаланс.

Методы уровня предприятия

• Балансировка нагрузки.
• Использование пассивных сетей и статического компенсатора реактивной мощности.
• Оборудование, чувствительное к асимметрии напряжения, не должно подключаться к системам, питающим однофазные нагрузки.
• Влияние асимметрии напряжения на приводы переменного тока с регулируемой скоростью можно уменьшить, правильно подобрав реакторы на стороне переменного тока и в звене постоянного тока.

——————————————

Контакт Omazaki Engineering , если вы ищете консультанта по анализу или оценке дисбаланса напряжения или дисбаланса, который предоставляет сопутствующие консультационные услуги с использованием программного обеспечения ETAP для вашего нового проекта или для других целей, связанных с вашей существующей электрической системой.

——————————————

Похожие статьи

• Исследование и анализ энергосистемы
• Исследование и анализ потока нагрузки
• Исследование координации защиты
• Исследование запуска двигателя и анализ
• Исследование устойчивости энергосистемы при переходных процессах
• Гармоническое исследование и анализ
• Исследование и оценка вспышки дуги
• Исследование и оценка качества электроэнергии
• Исследование и анализ падения напряжения

Ссылки

• IEEE Std 1459 Стандартные определения IEEE для измерения количества электроэнергии в синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несбалансированных условиях
• IEEE Std 1159 Рекомендуемая практика IEEE для мониторинга качества электроэнергии
• IEC/TR 61000-3-14: 2010 Оценка пределов излучения гармоник, интергармоник, колебаний напряжения и асимметрии для подключения возмущающих установок к низковольтным энергосистемам
• Проблемы с качеством электроэнергии — часть 4 — дисбаланс напряжения, журнал EM, 8 июня 2019 г.