Что такое несимметрия напряжений

1.4 Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений. Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые. Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85. 90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

Рост потерь электроэнергии в сетях, вызванный дополнительными потерями в нулевом проводе. Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения. В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.
Значительное снижение срока службы электрических машин, включая трансформаторы, как результат общего влияния на них несимметрии напряжений. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U= 2. 4 %, срок службы электрической машины снижается на10. 15 %, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое. Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, — нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой. Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

Равномерное распределение нагрузки по фазам.
Применение симметрирующих устройств. Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.

1.5 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения — искажение синусоидальной формы кривой напряжения. Электроприёмники с нелинейной вольт-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения. Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря — выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении. Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее. Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику. Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, — учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.
В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10. 15 %.
Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.
Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.
Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения — частоту первой гармоники(f_n=1=50 Гц, f_n=2=100 Гц, f_n=3=150 Гц . ). В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём). С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается. ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно. Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

Аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения.
Применение оборудования с улучшенными характеристиками:

-«ненасыщающиеся» трансформаторы; — преобразователи с высокой пульсностью и т.д.

Подключение к мощной системе электроснабжения.
Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.
Снижение сопротивления питающего участка сети.

Применение фильтрокомпенсирующих устройств. L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генери- руемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство, которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений и токов трёхфазной системы является одним из важнейших показателей качества электроэнергии. Причиной появления несимметрии напряжений и токов являются различные несимметричные режимы системы электроснабжения. Широкое применение различного рода однофазных электротермических установок значительной мощности (до 10 МВт) и трёхфазных дуговых печей также привело к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок на промышленных предприятиях. Подключение таких мощных несимметричных одно- и трёхфазных нагрузок к трёхфазным сетям вызывает в системах электроснабжения длительный несимметричный режим, который характеризуется несимметрией напряжений и токов.

В системах электроснабжения различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметрические режимы. Кратковременные несимметричные режимы обычно связаны с различными аварийными процессами, как, например, несимметричные КЗ, обрывы одного или двух проводов воздушной линии с замыканием на землю и т.д. Длительные несимметричные режимы обычно обусловлены несимметрией элементов электрической сети или подключением к системе электроснабжения несимметричных (одно-, двух- или трёхфазных) нагрузок.

Несимметрию напряжений и токов, обусловленную несимметрией элементов электрической сети, называют продольной. Примером продольной несимметрии являются неполнофазные режимы воздушных линийи несимметрия параметров фаз отдельных элементов сети. Продольная несимметрия характерна также для специальных систем электропередачи: два провода – земля (ДПЗ), два провода − рельсы (ДПР), два провода − труба (ДПР) и т.д.

Несимметрию напряжений и токов, вызванную подключением к сети многофазных и однофазных несимметричных нагрузок, называют поперечной. Поперечная несимметрия возникает также при неравенстве активных и реактивных сопротивлений отдельных фаз некоторых приёмников электроэнергии (дуговые электропечи).

Для анализа и расчётов несимметричных режимов в трёхфазных цепях в основном применяют метод симметричных составляющих, основанный на представлении любой трехфазной несимметричной системы величин(токов, напряжении, магнитных потоков)в виде суммыв общем случаетрёх симметричных систем величин. Эти симметричные системы, которые в совокупности образуют несимметричную систему величин, называют её симметричными составляющими. Симметричные составляющие отличаются друг отдруга порядком следования фаз, т.е. порядком, в котором фазные величины проходят через максимум, и называются системами прямой, обратной и нулевой последовательности.

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием составляющихобратной последовательности, а несимметрия фазных −ещё и наличием составляющих нулевой последовательности.

Несимметрия напряжения характеризуется двумя показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжения обратной последовательности ;

— коэффициентом несимметрии напряжения нулевой последовательности .

Вычисляют коэффициент несимметрии напряжения обратной последовательности , %, как результатi-го наблюдения, по следующему выражению:

, (17)

где − действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений вi-м наблюдении, В;− действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты вi-м наблюдении, В.

Вычисляют значение коэффициента несимметрии напряжения , %, как результат усредненияNнаблюденийна интервале времени равном 3 с, по формуле:

(18)

Число наблюдений .

Коэффициент несимметрии токов определяют аналогично.

Несимметрия по току значительно превышает несимметрию по напряжению. В линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия тока снижает пропускную способность за счёт неравномерной загрузки фаз.

В практических расчётах коэффициент обратной последовательности в рассматриваемой точке сети возможно использование следующей формулы:

, (19)

где − размах изменения напряжения; − напряжение первой последовательности; ;;− суммарные потери мощности соответствующих однофазных нагрузок;− аргумента тока и напряжения коэффициента обратной последовательности (определяются по справочным таблицам).

Токи прямой и обратной последовательности определяют по выражениям:

; (20)

, (21)

где ;− мощности несимметричной нагрузки.

При наличии составляющих нулевой последовательности происходит смещение нейтрали трёхфазной системы, которое характеризуется коэффициентом неуравновешенности напряжений.

Вычисляют коэффициент несимметрии напряжения нулевой последовательности (коэффициентом неуравновешенности) , %, как результатi-го наблюдения, по следующему выражению:

, (22)

где − действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений вi-м наблюдении, В;− действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты вi-м наблюдении, В.

Вычисляют значение коэффициента несимметрии напряжения , %, как результат усредненияNнаблюденийпо формуле:

(23)

Число наблюдений .

Коэффициент нулевой последовательности не нормируется, т.к. не оказывает влияния на трёхфазных потребителей.

Симметричные составляющие напряжений прямой , обратнойи нулевойпоследовательностей определяют по известным соотношениям для симметричных составляющих прямой:

; (24)

; (25)

, (26)

где − фазные напряжения сети; − комплексное число, называемое фазным множителем;.

Например, в асинхронных двигателях (АД) несимметрия напряжения вызывает противодействующий вращающий момент, что в свою очередь влечёт за собой полезный момент двигателя. Снижение полезного момента равно квадрату коэффициента несимметрии, т.е.

(27)

В АД сопротивление обратной последовательности в 5–7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, поэтому даже при небольшом напряжении обратной последовательности возникает значительный ток, обуславливающий быстрое старение изоляции обмоток. В среднем при срок службы АД сокращается в 2 раза.

Коэффициент несимметрии является нормативным показателем качества электроэнергии.В соответствии с ГОСТ 13109-97 нормально длительно допустим на зажимах любого трёхфазного симметричного приёмника электроэнергии. Предельно допустимое значение составляет 4%.

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений.

Причиной появления несимметрии являются как нормальные режимы работы оборудования, например при мощной однофазной нагрузке, так и в аварийные режимы, например, обрыв фазы.

В системах электроснабжения различают кратковременные и длительные несимметричные режимы. Кратковременные несимметричные режимы, обычно, связаны с аварийными процессами, а длительные несимметричные режимы могут быть вызваны как аварийными процессами, так и подключением мощных однофазных нагрузок.

Несимметрия напряжений и токов, вызванная подключением однофазных и многофазных приёмников называется поперечной. Такая несимметрия возникает также и при различных активных и реактивных сопротивлений отдельных фаз некоторых приёмников.

Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам.

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием составляющих обратной последовательности, а несимметрия фазных – ещё и наличием составляющих нулевой последовательности.

Для оценки несимметрии напряжения используется коэффициент несимметрии напряжения К_нсм,_U, который определяется:

Коэффициент несимметрии токов К_нсм,_I определяется подобным образом:

Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85. 90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K_0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования.

Возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.

Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

В электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U = 2. 4 %, срок службы электрической машины снижается на 10. 15 %, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям, — нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

 равномерное распределение нагрузки по фазам;

 применение симметрирующих устройств (рис. 2.1).

В некоторых случаях получается снизить несимметрию напряжений рациональным пофазным распределением нагрузки. Это бывает возможным тогда, когда нагрузка представляет достаточное количество соизмеримой мощности приёмников.

Рис. 2.1 Применение симметрирующих устройств для снижения несимметрии напряжения.

Иногда, ряд потребителей электроэнергии, например электротермической нагрузки, по условиям технологии находится в работе постоянно. Тогда для мощной однофазной нагрузки можно использовать питающий трансформатор со схемой соединения вторичной обмотки «зигзаг», когда однофазная нагрузка распределена между двух фаз (рис. 2.2). Для такого симметрирования необходимо использовать трансформатор специального исполнения.

Рис. 2.2 Схема соединения «зигзаг» обмоток трансформатора

Но, даже и эта мера в ряде случаев не позволяет в достаточной мере выровнять напряжения. Тогда необходимо использовать симметрирующие устройства. Симметрирование системы линейных напряжений трёхфазной сети сводится к компенсации тока обратной последовательности, потребляемого однофазными нагрузками и обусловленного им напряжения обратной последовательности.

Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения. Симметрирующие устройства изготавливают управляемыми и неуправляемыми, в зависимости от графика нагрузки.

Для симметрирующего устройства, изображённого на рис. 2.1, требуемая мощность конденсаторной батареи С и дросселя L определяется из условия:

где Р₀ – активная мощность однофазно нагрузки.

Компенсация тока обратной последовательности осуществляется с помощью батарей конденсаторов С и дросселя L. Данная схема применяется для симметрирования чисто активной нагрузки.

Управляемые симметрирующие устройства отличаются тем, что значения ёмкости конденсаторных батарей и значение индуктивности дросселя выбираются в зависимости от требований по компенсации отключением и включением параллельно включенных конденсаторов и переключением отпаек дросселя.

Симметрирование двух и трёхфазных несимметричных нагрузок, для симметрирования реактивной составляющей тока, можно осуществить с помощью несимметричной батареи конденсаторов.

Выбор метода симметрирования должен выбираться исходя из экономических соображений, поскольку симметрирующее устройство влечёт за собой дополнительные капиталовложения и эксплуатационные затраты.

Несимметрия токов и напряжений

Несимметрия токов и напряжений — явление, при котором амплитуды фазных напряжений (токов) и/или углы между ними не равны между собой.

Причины несимметрии напряжений могут быть разными, но основная из них — это несимметрия токов в сети, обусловленная неравенством нагрузки по фазам [1] .

В зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трёхфазного трансформатора на питающей подстанции возможны различные последствия несимметрии.

Так при соединении обмоток звездой и четырёхпроводном питании потребителей (с нулевым проводом), возможны следующие ситуации:

Обрыв нулевого провода — в этом случае линейное напряжение остается неизменным, а фазовые напряжения распределяются между однофазными потребителями пропорционально их электрическому сопротивлению. Пусть, например, в момент обрыва нулевого провода в подъезде многоквартирного дома, в одной из квартир (подключённой, к примеру, к фазе А) работает компьютер мощностью 242 Вт (сопротивление 200 Ом), а в другой квартире (фаза Б) — утюг мощностью 2420 Вт (сопротивление 20 Ом). Такая ситуация является перекосом фаз. Пока ток протекает по нулевому проводу, не возникает разбаланса фазных напряжений — у обоих потребителей напряжение останется равным 220В. При обрыве нулевого провода, линейное напряжение между фазами А и Б остаётся таким же, как и до обрыва, — равным 380В, но в связи с отсутствием тока в оборванном нулевом проводе напряжения между электроприёмниками распределятся так: компьютер получит (380)*(200)/(200+20)=345В, а утюг — 35В. В результате такой аварии компьютер выйдет из строя.
Короткое замыкание фазного провода на нулевой — в этом случае, если не сработает защита от коротких замыканий, напряжение между оставшимися фазами и нулевым проводом также увеличится. Значение напряжений в этом случае трудно предсказать, так как они сильно зависят от сопротивления проводов и внутреннего сопротивления трансформатора.

Устранение несимметрии фаз

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Для устранения несимметрии фазных токов и напряжений применяют специальные трансформаторы с симметрирующими устройствами:

Для сетей 6(10)/0,38 кВ — трансформаторы масляные с симметрирующим устройством (например, типа ТМГСУ [2] ).
Для сетей 380/220 В — трансформатор симметрирующий трёхфазный (например, типа ТСТ [3] ).

Примечания

↑ Управление качеством электроэнергии / И. И. Карташев, В. Н. Тульский, Р. Г. Шамонов и др.; под ред. Ю. В. Шарова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2006
↑Трехфазный масляный трансформатор типов ТМГСУ, ТМГСУ11 (ТМГ и ТМГ11 с симметрирующим устройством) (рус.) . ИА «Элек.ру». Архивировано из первоисточника 13 марта 2012.Проверено 15 марта 2010.
↑Трансформаторы симметрирующие трехфазные серии ТСТ (рус.) . ООО “Компания Интер Электро”. (недоступная ссылка — история) Проверено 15 марта 2010.

Литература

Dr Johan Driesen & Dr Thierry Van Craenenbroeck, Katholieke Universiteit Leuven.Введение в несимметричность (рус.) . НП АВОК. — (Опубликовано в журнале «Энергосбережение» №6/2004). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012.Проверено 15 марта 2010.

Энергоснабжение
Электротехника
Распределение электроэнергии
Трёхфазная система электроснабжения

Wikimedia Foundation . 2010 .