Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

применением в электроустановках частотных преобразователей и другого управляющего оборудования.
На данном этапе развития системы контроля качества допустимые уровни интергармонических составляющих напряжения электропитания находятся на рассмотрении.
Выводы
1. Искажение формы сетевого напряжения возникает в результате подключения нагрузок с нелинейными характеристиками.
2. Оценку несинусоидальности сетевого напряжения осуществляют путем определения коэффициентов отдельных групп гармонических составляющих напряжения
)
(n
U
K
до 40-го порядка и суммарного коэффициента искажения формы синусоидальности кривой напряжения
U
K
, которые измеряются в процентах от действующего значения основной гармонической составляющей напряжения.
3. Нормально и предельно допустимые значения коэффициента искажения формы синусоидальности кривой напряжения
U
K
должны соответственно находиться в пределах:
− 8 и 12 % при напряжении сети до 1 кВ,
− 5 и 8 % при напряжении 6…20 кВ;
− 4 и 6 % при напряжении 35 кВ;
− 2 и 3 % при напряжении 110 кВ и выше.
4.
Значения допустимых уровней интергармоник пока не регламентированы.

2.5. Несимметрия напряжения
Цель лекции
Получить представление о показателях и нормах несимметрии трехфазной системы напряжения.
Задача лекции
 Изучить причины несимметрии напряжения в сети.
 Познакомиться с методами исследования несимметрии трехфазной системы напряжения.
 Познакомиться с воздействием на сеть несимметричной системы напряжений.
 Понять принципы нормирования несимметрии в сети.
 Познакомиться с нормами на несимметрию сетевого напряжения.
2.5.1. Сущность и причины несимметрии напряжения
Трехфазная система напряжений является симметричной при равных амплитудах фазных и междуфазных напряжений, а также при одинаковых углах сдвигов фаз между ними (рис. 32).
Рис. 32. Симметричная трехфазная система напряжений
Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то трехфазная система напряжений становится несимметричной. На рисунке 33 приводится пример такой системы. Здесь амплитуда напряжения фазы С существенно меньше по сравнению с амплитудами фаз А и В.
U
U
А
U
B
U
C
t, мc
10
20
0
30

Рис. 33. Нарушение симметрии напряжений в трехфазной системе
Причины несимметрии трехфазной системы напряжений могут быть разными. Наиболее типичными из них являются следующие.
1. Неравенство нагрузки по фазам

Большинство промышленных и бытовых электроприемников являются одно- или двухфазными. Для их питания низковольтные сети 380 В имеют 4-проводное исполнение за счет подключения к трансформаторам, вторичные обмотки которых соединены в «звезду» с выведенной нейтралью.
При обрыве «нулевого» провода возникает аварийная ситуация, приводящая к существенной несимметрии напряжения. На отдельных фазах напряжение становится практически равным нулю, а на других – близко к междуфазному значению (380 В).

В сетях напряжением выше 1 кВ несимметрия напряжений создается при работе однофазных электротермических установок (дуговые печи косвенного действия, печи сопротивления, индукционные канальные печи и др.).

В сетях среднего и высокого напряжения создать несимметрию способны некоторые электроприемники, имеющие трехфазное исполнение.
Например, при расплаве металла в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) возникают эксплуатационные короткие замыкания на отдельных фазах,
30
U
0
U
А
U
B
U
C
10
20
t, мc

приводящие к изменениям фазных токов и фазного или междуфазного напряжения в сети. Одним из мощных источников несимметрии являются тяговые подстанции железнодорожного транспорта, так как электровозы – это однофазные электроприемники.
2. Несимметрия элементов электрической сети
В сетях высокого напряжения несимметрия может возникнуть из-за неравенства фазных сопротивлений линии. Симметрирование сопротивлений фаз линии возможно за счет транспозиции фазных проводов. Конструкция транспозиционных опор довольно сложная и дорогостоящая, поэтому их количество в энергосистеме ограничено. Таким образом, причина несимметрии может быть обусловлена конструкционными особенностями линии.
2.5.2.
Исследование
несимметричной
трехфазной
системы
напряжения
При оценке несимметрии напряжения трехфазной сети рассматривается напряжение основной частоты (50 Гц). Другими словами, первая гармоника напряжения
)
1
(
U
. Несимметричная система напряжения, в принципе, может быть образована на любой частоте, в том числе на частоте, кратной основной (
n
f
n
50

).
Поэтому при расчете и измерении симметричных составляющих напряжения сначала выделяют основную гармонику, а затем рассчитывают ее симметричные составляющие.
Несимметричную систему напряжений (рис. 34г и рис. 34д) характеризуют симметричными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательностей. Прямая последовательность (рис.
34а) напряжений является основной. Она определяет чередование фазных
(междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. При несимметрии возникают составляющие напряжения обратной и (или) нулевой последовательности напряжения, под влиянием которых протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы. Они

создают паразитные моменты на валу вращающихся машин и дополнительный нагрев обмоток. а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 34. Разложение системы несимметричного напряжения на составляющие: а – прямая последовательность напряжений; б – обратная последовательность напряжений; в – нулевая последовательность напряжений; г – несимметрия напряжений при появлении обратной последовательности напряжений; д – несимметрия при возникновении нулевой последовательности напряжений
2.5.3. Воздействие на сеть несимметричной системы напряжения
Воздействие несимметричной системы напряжений на электрооборудование равносильно воздействию трех симметричных систем.
Негативное влияние несимметрии системы трехфазного напряжения на работу электрооборудования проявляется в следующем.

Увеличиваются потери электроэнергии в электрических сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.

Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трехфазных потребителей электроэнергии работают на различных
U
a1
U
c1
U
a2
U
c2
U
b2
U
a0
U
b0
U
c0
U
b1
U
a
U
b
U
c
U
a
U
b
U
c

неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

В электрических машинах возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора, за счет которых создаются паразитные тормозные моменты электродвигателей и повышенная вибрация синхронных генераторов.

Снижается срок службы изоляции из-за дополнительного нагрева. К примеру, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности
U
K
2
= 2...4 %, срок службы электрических машин и трансформаторов снижается на 10...15 %. Если же при этом электрическая машина работает с номинальной нагрузкой, то срок ее службы снижается вдвое. В соответствии с этим по рекомендациям Международной электротехнической комиссии (МЭК) номинальная нагрузка двигателей допускается при коэффициенте несимметрии сетевого напряжения по обратной последовательности
U
K
2
< 1 %. Если
U
K
2
= 2 %, то нагрузка двигателя должна быть снижена до 96 %, а при
U
K
2
= 4 % – до 83 %.

Снижается величина реактивной мощности, генерируемой силовыми конденсаторами.

Увеличивается количество ложных срабатываний релейной защиты и автоматики.
2.5.4. Показатели и нормы несимметрии напряжения
Выше отмечалось, что любую несимметричную систему напряжения можно разложить на три симметричные подсистемы: прямой (рис. 34а), обратной (рис. 34б) и нулевой (рис. 34в) последовательностей.
Напряжения нулевой и обратной последовательностей могут быть рассчитаны по значениям векторов исходной несимметричной системы с помощью единичного вектора
3
/
2

i
e
a


Если известны фазные (линейные) действующие значения напряжений сети
c
b
a
U
U
U
,
,
, то указанные составляющие для первой гармоники напряжений могут быть определены по следующим формулам (15) – (17):
)
(
3 1
2
)
1
(
1
c
b
a
U
a
U
a
U
U



– напряжение прямой последовательности;
(15)
)
(
3 1
2
)
1
(
2
c
b
a
U
a
U
a
U
U



– напряжение обратной последовательности; (16)
)
(
3 1
)
1
(
0
c
b
a
U
U
U
U



– напряжение нулевой последовательности.
(17)
Система междуфазных (линейных) напряжений
AB
U
,
AC
U
,
BC
U
является замкнутой. Она составляет треугольник. Поэтому в ней нулевая последовательность напряжений присутствовать не может. Система векторов фазных напряжений
A
U
,
B
U
,
C
U
при наличии составляющих напряжений нулевой последовательности является разомкнутой.
В соответствии с этим методом разложения несимметричного напряжения на составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей установлены показатели качества электроэнергии. По
ГОСТ 32144-2013 показателями качества электрической энергии, относящимися к несимметрии напряжений в трехфазных системах, являются
коэффициент
несимметрии
напряжений
по
обратной
последовательности
U
K
2
и коэффициент несимметрии напряжений по
нулевой последовательности
U
K
0
Для указанных показателей качества электроэнергии установлены следующие нормально и предельно допустимые нормы:
− значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности
U
K
2
и несимметрии напряжений по нулевой последовательности
U
K
0
в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны
превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну
неделю;

− значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности
U
K
2
и несимметрии напряжений по нулевой последовательности
U
K
0
в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны
превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну
неделю.
При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, относящимся к несимметрии напряжений, установленным в настоящем стандарте, должны быть проведены измерения по ГОСТ 30804.4.30-2013, подраздел 5.7, класс A, при этом маркированные данные не учитываются.
В ГОСТ 30804.4.30-2013 указывается, что более точной является оценка несимметрии на основе расчетов напряжений обратной
2
U
и нулевой
0
U
последовательностей.
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности по ГОСТ 30804.4.30-2013 рассчитывается по формуле
(18):
100 6
3 1
6 3
1 2








Ui
K
%.
(18)
Коэффициент

находится в соответствии с выражением (19):
2 2
2 2
4 4
4
)
(
ACi
BCi
ABi
ACi
BCi
ABi
U
U
U
U
U
U






(19)
При экспрессной оценке несимметрии, выполняемой по результатам измерения линейных и фазных напряжений, можно использовать следующую упрощенную методику и приведенные ниже выражения.
В отдельном i-м измерении коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности определяется на основе выражения (20):
100 1
2 2


i
i
Ui
U
U
K
,%,
(20) где
i
U
2
– действующее значение напряжения обратной последовательности в
i-м измерении, (В или кВ);

i
U
1
– действующее значение напряжения прямой последовательности, (В или кВ).
Действующее значение напряжения прямой последовательности рассчитывается по формуле (21):
i
U
1
=(
ABi
U
+
ACi
U
+
BCi
U
)/3,
(21) где
ABi
U
,
ACi
U
,
BCi
U
– значения междуфазных (линейных) напряжений, полученные в ходе контроля качества сетевого напряжения.
Действующее значение напряжения обратной последовательности находится на основе измерения междуфазных напряжений основной частоты по формуле (22):
)
(
62
,
0 2
НМi
НБi
i
U
U
U


,
(22) где
НБi
U
,
НМi
U
– наибольшее и наименьшее из трех действующих значений междуфазных напряжений основной частоты в i-м измерении, (В или кВ).
Результирующий коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности представляет собой среднее квадратическое значение от коэффициентов
Ui
K
2
, полученных на основе N наблюдений (N

9) в интервале времени, равном 3 с.
U
K
2
рассчитывается по формуле (23), %:
N
K
K
N
i
Ui
U



1 2
2 2
, %.
(23)
В отдельном i-м наблюдении коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности равен значению, определяемому по выражению (24), %:
100 1
0 0


фi
i
Ui
U
U
K
%,
(24) где
i
U
0
– действующее значение напряжения нулевой последовательности в i- м измерении, (В или кВ).

Здесь действующее значение фазного напряжения прямой последовательности определяется как среднее арифметическое от фазных напряжений для i-го измерения по формуле (25), (В или кВ):
фi
U
1
=(
Ai
U
+
Bi
U
+
Ci
U
)/3.
(25)
Величина
i
U
0
рассчитывается на основе измерения фазных напряжений основной частоты в соответствии с выражением (26), (В или кВ):
)
(
62
,
0 0
i
ф
НМ
i
ф
НБ
i
U
U
U


,
(26) где
i
ф
НБ
U
,
i
ф
НМ
U
– наибольшее и наименьшее из трех действующих значений фазных напряжений в i-м наблюдении, (В или кВ).
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, усредняется по данным N наблюдений (N

9) в интервале времени в 3 с по формуле (27), %:
N
K
K
N
i
Ui
U



1 2
0 0
, %.
(27)
Здесь уместно отметить, что значение коэффициента несимметрии для нулевой последовательности напряжения по определению равно нулю при измерении междуфазных напряжений. Однако напряжения «фаза – нейтраль» или
«фаза
– земля» могут содержать напряжения нулевой последовательности.