WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЮНДИН КОНСТАНТИН МИХАЙЛОВИЧ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОМПЕНСАТОР ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПРЕОБЛАДАЮЩЕЙ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Зерноград, 2012

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель:  кандидат технических наук доцент

Кобзистый Олег Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

  Ксенз Николай Васильевич

(ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

кандидат технических наук, доцент

Савенко Алексей Валентинович

(ФГБОУ ВПО Куб.ГАУ, доцент кафедры)

Ведущая организация:        ФГБОУ ВПО «Волгоградский

Государственный Аграрный

Университет» (г. Волгоград)

Защита состоится  21  марта 2012 года в 1230 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО АЧГАА по адресу: 347740, г. Зерноград, Ростовской области, ул. Ленина, 21, в зале диссертационного совета. Тел./факс (8-86359) 43-3-80

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан 16 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук

профессор        Н. И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день энергосбережение является главным направлением энергетической стратегии России в сложившихся экономических условиях.

В сельском электропотреблении прогрессирует коммунально – бытовая нагрузка с преобладанием нелинейных электроприемников. Насыщение сельских сетей такими потребителями вызывает в последней возникновение высших гармонических составляющих токов и перегрузку нулевых проводов сети 0,38 кВ.

Работа сельских сетей 0,38 кВ с постоянно циркулирующими токами высших гармоник является причиной дополнительных потерь электроэнергии.

Для реализации задач энергосбережения и повышения энергоэффективности электрических сетей принят и действует Федеральный Закон Российской Федерации №261-ФЗ от 23 ноября 2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Таким образом, оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников и разработка мер по снижению потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ являются актуальными и служат для успешного решения стратегических задач по наращиванию экономического потенциала аграрного сектора.

Цель работы – снижение энергетических потерь и повышение эффективности передачи электрической энергии в сельских сетях напряжением 0,38 кВ путем применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Объектом исследования является процесс передачи электрической энергии в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой.

Предметом исследования являются закономерности передачи электроэнергии по сельским электрическим сетям 0,38 кВ в условиях генерирования нелинейной нагрузкой высших гармоник тока, до и после применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Методы исследований.

В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теорий нелинейных электрических цепей и гармонического  анализа, методы математической статистики. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов: анализаторов качества электроэнергии «Энергомонитор 3.3Т», «Ресурс» и «Hioki-3196», электронного осциллографа «Актаком АСК-4166».

Для проведения исследований, реализующих предложенные методы, использованы пакеты программ Statistica и Multisim.

Научная новизна заключается в:

– определении степени влияния основных факторов на потери электроэнергии в сети 0,38 кВ; 

–разработке компьютерной модели сети 0,38 кВ с нелинейной несимметричной нагрузкой;

–разработке метода снижения высших гармонических составляющих тока и напряжения;

–  определении параметров устройства для компенсации высших гармоник и места его установки в сети 0,38 кВ.

Научная гипотеза – повышение эффективности передачи электрической энергии и нормализация показателей КЭ в сельской сети 0,38 кВ возможны за счет векторной компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике сети.

Рабочая гипотеза – векторную компенсацию третьей гармоники токов в сельской электрической сети 0,38 кВ можно осуществить при помощи электромагнитного компенсатора.

На защиту выносятся следующие положения:

– статистическая оценка основных факторов, влияющих на потери электрической энергии в сети 0,38 кВ;

– компьютерная модель электрической сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока;

– методика расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник тока;

– принципиальные электрические схемы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Практическая ценность работы заключается в снижении потерь электроэнергии за счет применения разработанного метода и устройства для компенсации высших гармоник тока в сети 0,38 кВ.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «АЧГАА».

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская Государственная Агроинженерная Академия» в 2008 –  2011 годах и ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Ставрополь, 2008 г.), на 7-ой международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (Москва 2010 г.).

По результатам исследований получены в соавторстве 4 патента, одна заявка и опубликованы 4 научные статьи.

Устройство для компенсации токов 3-ей гармоники в сети 0,38 кВ внедрено в ОАО «ДонЭнерго» – АМЭС.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов основной части, общих выводов, списка используемой литературы из 157 наименований (т.ч. 18 на иностранных языках) и 7 приложений. Общий объем диссертации 213 страниц машинописного текста, содержит 97 рисунок и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также изложена научная новизна и практическая ценности работы.

В первой главе «Анализ способов и технических средств снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ» выполнены анализ структуры потерь электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ и аналитический обзор существующих методов снижения потерь электроэнергии, зависящих от отклонения  показателей качества электроэнергии от допустимых значений. Установлены причины возникновения высших гармонических составляющих тока и напряжения в сельской электрической сети 0,38 кВ. Проанализированы их отрицательные эффекты и возможные способы их уменьшения.

Вопросами повышения энергоэффективности передачи электрической энергии за счет снижения высших гармоник занимались многие ученые, как в России, так и за рубежом: Жежеленко И.В., Розанов Ю.К., Шидловский А.К., Наумов В.И., Агунов А.В., Аррилага Ю.С., Сукьясов С.В., Рысев А.М., Кузнецов В.Г., Карташев И.И., Савенко А.В., Куренный Э.Г., Левин М.С., Лютый А.П., Майер В.Я., Плешков П.Г., Подольский Д.С., Дрехслер Р. и др.

Анализ структуры потерь в сельских электрических сетях 0,38 кВ показал следующее. Коммерческие потери электроэнергии сложно прогнозируемы и чаще всего не предотвратимы. Технические потери электроэнергии обусловлены физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям. Из всех составляющих технических потерь, нагрузочные потери в элементах сети являются наибольшими, поэтому их снижение является одним из рациональных путей сокращения общих фактических потерь электроэнергии.

Одним из вариантов снижения нагрузочных потерь является уменьшение дополнительных потерь из-за отклонений показателей КЭ от нормально допустимых значений. В связи с широким использованием мощных вентильных преобразователей, сварочных установок, электродвигателей с ШИМ-модулированием, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на КЭ, остро возникла проблема электромагнитной совместимости сельскохозяйственных электроприемников с питающей сетью. Результат нарушения электромагнитной совместимости — разнообразные негативные воздействия на электрическое и электронное оборудование у смежных потребителей, в том числе повышенная аварийность и сокращение сроков службы электрооборудования. Кроме того, из-за появления в сельской электрической сети дополнительных неактивных составляющих полной мощности от нелинейных нагрузок наблюдается рост потерь электрической энергии в сетях.

Существует много технических решений для снижения потерь электрической энергии путем уменьшения влияния высших гармонических составляющих тока. Анализ этих технических средств позволил выявить присущие им основные недостатки, ряд из которых требует дальнейшего изучения, а также предложить способы совершенствования этих технических средств.

На основании проведенного анализа сформулированы следующие задачи исследования:

  1. Проанализировать существующие способы и средства снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
  2. Статистически исследовать реальные ПКЭ в сельских электрических сетях и выявить наиболее значимые факторы, влияющие на  эффективность передачи электроэнергии.
  3. Обосновать эффективный метод компенсации высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ и разработать устройство для его реализации.
  4. Разработать математическую модель сельской электрической сети 0,38 кВ для определения места установки в ней электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.
  5. Оценить техникоэкономическую эффективность применения разработанного устройства для компенсации высших гармоник в сельских электрических сетях 0,38 кВ.

Во второй главе «Статистическое обоснование факторов, влияющих на потери электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ» статистически исследованы уровни искажения формы кривой тока в сельской электрической сети 0,38 кВ, проведен статистический анализ основных факторов и построена регрессионная модель потерь электроэнергии, обосновано действующее значение тока для компенсации 3-ей гармоники нейтрали сети 0,38 кВ на головном участке.

Статистических данных о факторах, влияющих на потери электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, были получены с помощью высокоточного регистратора показателей качества электроэнергии «Энергомонитор-3.3Т».

Методика расчета потерь активной мощности и электроэнергии была в максимальной степени адаптирована к имеющимся в условиях эксплуатации сетей схемным и режимным параметрам. Следует отметить, что основной причиной повышения потерь активной мощности в реальных сельских сетях 0,38 кВ являются несимметрия и несинусоидальность токов.

Так как 3-я гармоника в спектральном составе фазных токов, и особенно тока в нулевом проводе, превышает значения остальных гармонических составляющих, то действующее значение тока будет иметь вид

,  (1)

где  –  коэффициент 3-ей гармонической составляющей тока.

Учитывая это, напряжение в сети может отклоняться в диапазоне U(1) как в положительную, так и в отрицательную сторону, уточненную формулу для  оценки потери активной мощности в проводе на головном участке ВЛ, приведенной к единице активного сопротивления провода, можно представить как

, (2)

где Uн(1) – номинальное напряжение первой гармоники в электрической сети 0,38 кВ; U(1) – отклонение напряжения первой гармоники; Р(1) – потребляемая активная мощность первой гармоники; cos (1) – коэффициент мощности первой гармоники.

Общие потери активной мощности в трехфазной четырехпроводной распределительной сети  0,38 кВ будут складываться из потерь в каждом проводе.

С целью определения диапазона изменения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети, были получены статистические данные из действующих сетей Астраханьэнерго, Кубаньэнерго и Ростовэнерго ОАО «МРСК Юга» на головных участках с преобладающей коммунально-бытовой нагрузкой

Результаты показали, что для последующего проектирования средств компенсации тока третьей гармоники можно принять с доверительной вероятностью 0,95 действующее значение третьей гармоники тока нейтрали равным 10,9±3,1 А. При этом относительная погрешность не превышет 28,2 %.

Для количественного определения гармонических составляющих тока проводен спектральный анализ фазных токов и тока нулевого провода.

Средние значения коэффициентов n-ых гармонических составляющих токов фаз и нулевого провода и их дисперсии в течение суток на головном участке ТП 10/0,4 мощностью 160 кВА представлены в таблице 1.

Дальнейший расчет вариации факторных признаков, проверка нормального закона распределения регрессоров, определение коэффициентов уравнения регрессии, корреляционно – регрессионный анализ и оценка полученной математической модели выполнялись с использованием программы Statistica 6.

В предлагаемой регрессионной модели в качестве основных предикторов рассмотрены: усредненное значение коэффициента третьей гармонической составляющей тока в проводах на головном участке сети, усредненное значение коэффициента мощности первой гармоники, усредненное значение отклонения напряжения первой гармоники. Откликом была потеря активной мощности, приведенная к единице активного сопротивления провода.

Для составления уравнения регрессии брался промежуток времени, с постоянным энергопотреблением, для того чтобы исключить ошибку при расчетах, вызванную изменением характера и вида нагрузки.

Полученные статистические данные были подвергнуты корреляционному анализу. 

Таблица 1 – Средние значения и дисперсии коэффициентов n-ых гармонических составляющих токов фаз и нулевого провода в течение суток на одном из головных участков сети

Коэффициенты n-ых гармонических составляющих токов

Среднее значение, А

Дисперсия, А2

А

В

С

N

А

В

С

N

3-я

3,9

6

5

46,8

3,366

6,291

3,128

344,17

5-я

4,3

4

2,7

5,8

1,915

4,148

0,746

23,39

7-я

2,8

3,1

2,3

4,2

0,147

0,502

0,15

9,04

9-я

1

1

0,9

10

0,094

0,16

0,018

44,81

11-я

0,6

0,5

0,6

1

0,032

0,056

0,015

0,27

13-я

0,5

0,3

0,4

1

0,068

0,06

0,084

0,34

15-я

0,4

0,2

0,3

3,6

0,036

0,022

0,0036

3,18

17-я

0,3

0,3

0,3

0,7

0,009

0,016

0,0086

0,18

19-я

0,3

0,2

0,2

0,4

0,007

0,013

0,0016

0,129

Результаты показали, что коэффициент корреляции между такими факторами  как коэффициент мощности первой гармоники и отклонение напряжения первой гармоники, коэффициент мощности первой гармоники и передаваемая нагрузка, отклонения напряжения первой гармоники и передаваемая нагрузка находятся в диапазоне /r/0,25, что говорит о слабой их корреляции.

Полученные уравнения множественной регрессии представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Уравнения множественной регрессии

S, кВА

Уравнение регрессии

Коэффициент детерминации (R2)

40

P=(417,6 – 805,1 cos(1) – 16,9 δU(1)  + 17,1 k3г) ⋅R

0,79

63

P=(18555,2 – 47738,3 cos(1) – 968 δU(1)  + 874 k3г) ⋅R

0,86

100

P=(27405 – 32798,2 cos(1) – 2134 δU(1)  + 2050,2 k3г) ⋅R

0,87

160

P=(152735 – 202939 cos(1) – 1183 δU(1)  + 1480 k3г) ⋅R

0,81

250

P=(249324 – 358188cos(1) – 5727δU(1) + 4381k3г) ⋅R

0,74

Рассчитанные значения коэффициента детерминации, в большинстве случаев превышающие значение 0,75, свидетельствуют о хорошем приближении уравнений регрессии к возникающим на головном участке линии 0,38 кВ потерям активной мощности при передаче электроэнергии. Только четвертая часть потерь активной мощности приходится на долю не учтенных факторов.

Следует отметить, что отрицательные значения коэффициентов регрессии при независимых переменных в полученной математической модели  свидетельствуют о том, что с ростом этих факторов потери активной мощности на головном участке линии 0,38 кВ снижаются.

Анализ полученных выражений также показал, что необходим комплексный подход к снижению потерь мощности и энергии в сельских электрических сетях за счет регулирования коэффициента мощности первой гармоники, уровня напряжения первой гармоники и величины третьей гармоники тока. Если способы и технические средства регулирования коэффициента мощности и уровня напряжения широко известны, то простые и надежные компенсаторы высших гармоник тока нуждаются в разработке.

В третьей главе «Моделирование процесса передачи электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока» приведено аналитическое описание электромагнитного компенсатора высших гармоник тока  и методика его инженерного расчета. Разработана модель электрической сети 0,38 кВ, выполненная в среде Multisim 10.1, проведен анализ спектрального состава токов и  обоснованы места установки электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Для компенсации высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ разработано простое и надежное устройство, состоящее из трехфазного однополупериодного выпрямителя,  фазосдвигающего элемента и  трансреактора  (рисунок 1).

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Нелинейные однофазные нагрузки Z1…Z3 вызывают протекание в фазах и нулевом проводе сети высших гармоник токов, среди которых наиболее явно выражены третья и кратные ей гармоники.

Под действием первичных напряжений на катодах диодов трехфазного однополупериодного выпрямителя VD1…VD3 формируется напряжение, содержащее постоянную составляющую и гармоники кратные трем. Под действием этих напряжений во вторичной обмотке трансреактора TAV1 будут протекать токи третьей и кратных ей гармоник, которые наведут в магнитопроводе трансреактора соответствующие магнитные потоки. Данные магнитные потоки будут воздействовать на токи первичной обмотки трансреактора, приводя к полной или частичной векторной компенсации третьей гармоники тока и токов гармоник кратных ей в нулевом проводе сети N. Для защиты сети от токов короткого замыкания в устройстве предусмотрены предохранители FU1…FU3.

Рисунок 1 – Схема электромагнитного компенсатора высших гармоник тока

Для наиболее эффективной компенсации были определены рациональные параметры всех элементов устройства. Была составлена схема замещения трехфазной сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема замещения трехфазной сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока

Схема замещения одной фазы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока представлена рисунком 3.

Рисунок 3 – Однофазная схема замещения электромагнитного компенсатора

В данной схеме – напряжение смещения нейтрали, В;

– напряжение на выходе трехфазного однополупериодного выпрямителя; 

– результирующее полное комплексное сопротивление первичной цепи трансреактора, состоящее из суммы эквивалентного сопротивления нагрузки, сопротивлений нулевого провода и первичной обмотки трансреактора;

– результирующее полное комплексное сопротивление вторичной цепи трансреактора, состоящее из суммы токоограничивающего сопротивления фазосдвигающего элемента, эквивалентного сопротивления выпрямителя и сопротивления вторичной обмотки трансреактора.

Для расчетов токов в схеме компенсатора использовался метод наложения (при работе трансреактора на рабочем участке кривой намагничивания).

Полагая, что в спектре тока в нулевом проводе преобладает первая и третья гармоника, а в спектре напряжения на выходе выпрямителя –  постоянная составляющая и третья гармоника, для действующих значений токов в первичной и вторичной обмотках справедливо

(3)

  (4)

Постоянная составляющая тока вторичной обмотки трансреактора определена как

, (5)

где R2 – суммарное активное сопротивление со стороны обмотки W2, Ом.

Наличие конденсатора в фазосдвигающем элементе (рисунок 1) снижает величину постоянной составляющей тока.

Значения первых гармоник токов в первичной и вторичной обмотках трансреактора  рассчитаны по стандартным зависимостям.

Расчет третьей гармоники тока имеет свои особенности. Поскольку в схеме замещения для третьей гармоники тока два источника питания, то первичные и вторичные токи представлены как

, (6)

. (7)

Откуда общая система уравнений электромагнитного равновесия имеет вид

, (8)

где – амплитуда третьей гармоники основного магнитного потока, Вб;

– комплексное магнитное сопротивление сердечника трансреактора, 1/Гн.

Окончательно токи третьей гармоники в первичной и вторичной цепи трансреактора определяются следующими выражениями

;  (9)

.  (10)

Как видно из полученных выражений при проектировании электромагнитного компенсатора минимизировать ток третьей гармоники в нулевом проводе сети можно: за счет изменения числа витков со стороны вторичной цепи W2; за счет изменения сопротивления в цепи электромагнитного компенсатора , в первую очередь, сопротивления фазосдвигающего элемента; изменения магнитного сопротивления сердечника трансреактора. Из них наиболее технологичными будут первые два способа или их комбинация

;  (11)

,  (12)

где – среднестатистическое значение компенсируемого тока третьей гармоники в нулевом проводе сети;

  – полное комплексное сопротивление нулевого провода.

Таким образом, для расчета электромагнитного компенсатора вначале для конкретной электрической сети следует определить среднестатистическое значение компенсируемого тока третьей гармоники в нулевом проводе сети. Затем по полученным формулам рассчитать и принять необходимое число витков вторичной обмотки трансреактора и сопротивление фазосдвигающего элемента. Далее следует в первом приближении рассчитать действующие значения токов в обмотках трансреактора и потребляемую им мощность. По этим данным можно выбрать марку и сечение провода вторичной обмотки трансреактора (в качестве первичной обмотки трансреактора предлагается использовать шпильку проходного низковольтного изолятора на ТП 10/0,4 кВ) и размеры сердечника трансреактора. С учетом известного сопротивления вторичной обмотки трансреактора следует уточнить значения токов в обмотках трансреактора, потребляемую мощность и температурный режим обмоток при выбранном сечении провода.

Для определения спектрального состава  токов и напряжений на отдельных участках сети 0,38 кВ и оценки наиболее эффективного места установки в ней электромагнитного компенсатора высших гармоник в среде Multisim 10.1 была разработана компьютерная модель трехфазной электрической сети с несинусоидальной и несимметричной нагрузкой (рисунок 4). Модель включала трехфазный источник ЭДС, линию электропередачи  и нелинейную несимметричную нагрузку. Трехфазный источник ЭДС моделирует силовой трехфазный трансформатор. Линия 0,38 кВ представлена схемой замещения включающей продольные параметры –  активное RL и индуктивное XL сопротивления. Нагрузка представляет собой несимметричное и нелинейное сопротивление. Источники третьей гармонической составляющей промоделированы как параллельно включенные источники тока с частотой 150 Гц.

Напряжения "генераторных обмоток" фаз L1, L2 и L3 имеют частоту изменения электромагнитного поля 50 Гц и сдвинуты относительно друг друга на угол , начала обмоток объединены в "нейтральную точку" N по схеме "звезда с нулевым проводом". Нагрузка состоит из активно-индуктивных сопротивлений, значения которых приняты в соответствии с реальными среднестатистическими значениями в сельской электрической сети 0,38 кВ.

Модель учитывает наличие  повторного заземления нулевого провода и заземляющего контура ТП 10/0,4 кВ.

Данная модель сети была разработана для виртуального моделирования процессов, происходящих в электрической сети, по причине того, что физическое моделирование в реальной сети не всегда доступно и трудновыполнимо. Задавая различные значения нагрузки и среднестатистическую величину источников тока третьей гармоники, в результате моделирования получили данные о гармоническом составе фазных токов и тока в нулевом проводе.

Рисунок 4 – Модель электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку,  с подключенным электромагнитным компенсатором высших гармоник

Анализ спектрального состава фазных токов и тока в нулевом проводе при отключенном электромагнитном компенсаторе, показал, что наибольшее значение 3-ей гармоники тока приходится на головной участок сети. В фазных токах 3-я гармоника тока на порядок ниже значений той же гармоники в нулевом проводе сети. Следовательно, компенсация 3-ей гармоники будет наиболее эффективной в начале линии, то есть при установке компенсатора в  месте, наиболее близком к вводу 0,4 кВ силового трансформатора ТП 10(6)/0,4 кВ. График зависимости коэффициента третьей гармонической составляющей тока нулевого провода от длины линии представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – График зависимости коэффициента третьей гармонической составляющей тока нулевого провода от длины линии

Результаты моделирования работы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока на разработанной компьютерной модели представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Спектральный состав токов фазного и нулевого провода до и после компенсации

Наименование линии и

номер

гармоники

Ток до компенсации, А

Ток после компенсации, А

в начале сети

в конце сети

в начале сети

в конце сети

Фаза L1, 1-я

134,35

43,51

128,55

41,02

Фаза L2, 1-я

116,39

68,36

118,10

69,22

Фаза L3, 1-я

84,59

60,57

88,02

62,78

Нулевой провод, 1-я

30,68

17,29

31,39

20,18

Фаза L1, 3-я

4,1

1,26

2,34

2,27

Фаза L2, 3-я

5,09

3,04

4,25

5,44

Фаза L3, 3-я

11,08

2,65

9,31

2,51

Нулевой провод, 3-я

13,63

2,83

2,73

2,97

Анализ полученных токов показал, что максимальная компенсация 3-ей гармоники происходит в нулевом проводе на головном участке сети, в фазных проводах наблюдается ее незначительное уменьшение. Кроме снижения токов третьей гармоники также наблюдается дополнительный эффект, связанный с уменьшением несимметрии фазных токов.

В четвертой главе «Программа и методика экспериментальных исследований, анализ результатов» разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований, выполнено физическое моделирование электромагнитного компенсатора высших гармоник тока и приведены результаты экспериментальных исследований.

Для практического определения эффекта от использования предложенного устройства и подтверждения полученных теоретических выражений, были проведены эксперименты в лабораторных условиях на физической модели (рисунок 6).

На первом этапе лабораторных исследований регистрировались электрические величины без электромагнитного компенсатора высших гармоник тока. Во время опытов записывались контрольные осциллограммы тока и напряжений, а также фиксировались следующие показатели: потребляемая полная мощность, потребляемая электроэнергия, действующие значения тока в проводах, коэффициент третьей гармонической составляющей тока в нулевом проводе.

Рисунок 6 – Схема электрическая принципиальная экспериментальной установки с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока

Для определения эффективности электромагнитного компенсатора высших гармоник тока и проверки адекватности разработанной математической модели, была собрана лабораторная установка по рисунку 6. За переменный параметр принято разное число витков вторичной обмотки трансреактора, включая наиболее рациональное, рассчитанное по формуле (12). В опытах фиксировались осциллограммы тока и напряжения в фазных и нулевом проводах, выполнялся их спектральный анализ. Кроме того, фиксировались действующие значения тока в проводах, потребляемая полная мощность и электроэнергия.

Сравнение результатов экспериментальных исследований до и после включения электромагнитного компенсатора третьей гармоники тока с расчетным числом витков показало, что потребление электроэнергии за 30 минут, уменьшилось на 2%, реактивной мощности – на 1%. Значение тока в фазе L1 уменьшилось на 2,2%, в фазе L2 увеличилось на 1%, в фазе L3 уменьшилось на 4,5%. Значение тока в нулевом проводе уменьшилось на 13%. При других значениях числа витков вторичной обмотки трансреактора наблюдались худшие показатели.

По результатам спектрального анализа токов были выявлены следующие закономерности.

В фазе L1 амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 1,5%, третьей гармоники уменьшилось на 1,9%, пятой гармоники несущественно увеличилось на 0,8%, седьмой гармоники уменьшилось на 1%, девятой гармоники  – на  0,7%. В фазе L2 амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 2%, третьей гармоники уменьшилось на 3%, пятой гармоники не изменилось, седьмой гармоники уменьшилась на 0,8%, девятой гармоники –  на 0,3%. В фазе L3 амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 6,5% А, третьей гармоники уменьшилось на 5,5% А, пятой гармоники увеличилось на 1%, седьмой гармоники увеличилось на 0,7%, девятой гармоники увеличилось на 0,9% А.

В нулевом проводе за счет компенсации произошли более существенные изменения: значение амплитуды первой гармоники тока уменьшилось на 17% , третьей гармоники  – на 64%, пятой гармоники – на 3%, седьмой гармоники – на 3,6%, девятой  – на 2%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока» в соответствии с методическими рекомендациями определены показатели экономической эффективности от внедрения разработанного устройства для компенсации высших гармонических составляющих в электрической сети 0,38 кВ.

Эффективность применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока показало снижение удельных эксплутационных затрат на 40,5 %, при получении чистого дисконтированного дохода в размере 54246,96 рублей в расчете на 15 лет на одну трансформаторную подстанцию и сроком окупаемости дополнительных капиталовложений 0,71 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. Анализ способов и средств снижения высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ показал, что эффективными будут технические средства, имеющие принцип векторной компенсации высших гармоник тока, выполненные на простой элементной базе.
  2. Статистический анализ факторов, влияющих на потери активной мощности, показал, что на долю коэффициента мощности первой гармоники, отклонения напряжения первой гармоники, коэффициента 3-ей гармонической составляющей тока приходится в среднем 81% суммарных технологических потерь активной мощности.
  3. На основании первичной информации, полученной в реальных сельских электрических сетях 0,38 кВ, и последующей её обработки установлено, что в течение суток действующее значение третьей гармоники тока нейтрали на вводе силового трансформатора со стороны 0,4 кВ изменяется в диапазоне 10,9±3,1 А при доверительной вероятности равной 0,95. Относительная погрешность данной оценки не превышает 28,2 %.
  4. Анализ вычисленных стандартизованных регрессионных коэффициентов показал, что рассмотренные факторы в порядке уменьшения их влияния на нагрузочные потери активной мощности в сельской электрической сети 0,38 кВ можно расположить следующим образом: коэффициент мощности первой гармоники cosφ1; отклонение напряжения первой гармоники δU1,%; коэффициент третьей гармонической составляющей тока нейтрали K3г.
  5. Как показало математическое моделирование электрической сети 0,38 кВ, при значениях третьей гармонической составляющей тока нагрузки =0,1…0,5 наибольшие значение токов наблюдалось на головном участке сети 0,38 кВ и составляло для фазы L1 – =0,07…0,17, фазы L2 –  =0,06…0,15, фазы L3 – =0,08…0,16, нулевого провода –  =0,48…0,81. Исходя из полученного результата, можно утверждать, что более рациональным является расположение электромагнитного компенсатора на головном участке сельской сети.
  6. Предлагаемый метод и разработанный электромагнитный компенсатор высших гармоник тока позволяет уменьшить ток 3-ей гармоники в фазных проводах на 5 %, в нулевом проводе – на 55 %. При этом дополнительные потери электроэнергии снижаются на 12 %.
  7. Технико-экономическая оценка эффективности применения электромагнитного компенсатора показала снижение удельных эксплутационных затрат на 40,5 %, при получении чистого дисконтированного дохода в размере 54246,96 рублей в расчете на 15 лет на одну трансформаторную подстанцию и сроком окупаемости дополнительных капиталовложений 0,71 года.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

- в сборниках научных трудов и научно-практических журналах:

  1. Юндин, К.М. О составляющих тока нейтрали сети 0,38 кВ / М.А. Юндин, К.М. Юндин // Электротехнические комплексы и системы управления. –  2009. – №1. С.16–19., 0,2 пл./0,1 пл. ( с 2010 г. включен в перечень ВАК)
  2. Юндин, К.М. Совершенствование компенсатора третьей гармоники тока нейтрали в сети 0,38 кВ / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., К.М. Юндин // Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч.тр. по материалам V Российской науч.-пр. конф. – Ставрополь: АГРУС, 2009. – С.228-230., 0,2 пл./0,07 пл.
  3. Юндин, К.М. Оценка энергоэффективности сельских сетей напряжением 0,38 кВ с использованием многофакторного анализа / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., К.М. Юндин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды 7-й Международной научно-технической конференции – Москва: МГАУ, 2010. – С. 232-234., 0,2 пл./0,07 пл.
  4. Юндин, К.М. Компенсатор третьей гармоники тока нейтрали сети 0,38 кВ / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., К.М. Юндин // Вестник аграрной науки Дона. – Зерноград, №4, 2010. – С.15 –19., 0,2 пл./0,07 пл.

- патенты на изобретение:

  1. Пат. 2346370 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01. Электромагнитный компенсатор третьей гармоники электрической сети /  Юндин К.М., Юндин М.А., Нехаев С.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» – №2008103657/09; заявл. 30.01.2008; опубл. 10.02.2009, Бюл №4 – 4 с.: ил., 0,14 пл./0,05 пл.
  2. Пат. 2353040 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01, H02J 3/26. Устройство защиты сети от воздействия токов третьей гармоники /  Юндин К.М., Юндин М.А., Нехаев С.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» – №2008120456/09; заявл. 22.05.2008; опубл. 22.05.2008, Бюл №11 – 5 с.: ил., 0,15 пл./0,05 пл.
  3. Пат. 2334298 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01. Электромагнитный компенсатор гармоник электрической сети / Юндин К.М., Юндин М.А., Нехаев С.В., Кобзистый О.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» – №2007115384/09; заявл. 23.04.2007; опубл. 20.09.2008, Бюл №26 – 5 с.: ил., 0,15 пл./0,04 пл.
  4. Пат.  2399139 Российская Федерация МПК9 H02J 3/01, H03H 7/09. Способ защиты электрической сети от гармоник тока кратных трем / Юндин К.М., Юндин М.А., Таранов М.М.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» – №2009116658/09; заявл. 30.04.2009; опубл. 10.09.2010, Бюл №25 – 5 с.: ил., 0,13 пл./0,05 пл.
  5. Заявка  2010126790 Российская Федерация МПК9 H02J 3/01. Устройство для компенсации тока третьей гармоники нейтрали сети / Юндин К.М., Юндин М.А., Кобзистый О.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» – №2010126790/07; заявл. 30.06.2010,опубл. 10.01.12, Бюл №1 – 3с.: ил., 0,11 пл./0,03 пл.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 14.02.2012

Формат 60x84/16. Уч.-изд. Л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 245

РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА

347740 Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.