Использование конденсаторных батарей для симметрирования нагрузки в низковольтных системах электроснабжения

Изменение структуры электропотребления, обусловленное снижением производственной и ростом коммунально-бытовой (преимущественно однофазной) нагрузки, усложняет обеспечение симметричного режима системы электроснабжения. Появление несимметрии напряжений в трехфазных сетях приводит к дополнительным потерям активной мощности, снижению срока службы элетрооборудования и экономических показателей его работы [1-3]. Как известно [1-3], при выборе средств симметрирования наиболее рационально в первую очередь задействовать уже имеющиеся в СЭС технические средства, в частности конденсаторные батареи (КБ) установок компенсации реактивной мощности (УКРМ).

Нарушение режима симметрии трехфазной системы напряжений изменит энергетические характеристики симметричных по емкости ветвей КБ. В низковольтных рапределительных сетях, где в основном сосредоточена компенсационная мощность потребителей, реактивная мощность (РМ) КБ будет ограничена величиной так называемой располагаемой мощности - Q_расп., пропорциональной мощности прямой последовательности и всегда меньшей номинальной - Q_ном. [1-2]. Вследствие неравмерного распределения РМ ветвей КБ направление тока компенсации в отдельных фазах сети может оказаться противоположным требуемому, что снизит ее пропускную способность и увеличит уже имеющийся дисбаланс напряжений в точках общего присоединения [1, 4]. Однако, если это предусмотрено конструкцией схемы УКРМ, в четырехпроводной сети с нулевым проводом можно попытаться за счет комбинаций переключения конденсаторов на различные фазные напряжения сети уменьшить степень несимметрии до допустимых [5] значений коэффициента несимметрии по нулевой последовательности - k_0U. При этом минимальная РМ симметрирования однофазной полностью скомпенсированной нагрузки (cosφ = 1) составляет 100% ее мощности [2]. В отличие от трехпроводных (с изолированной нейтралью), четырехпроводные сети располагают большими вариантами выбора схем питания нагрузки, но ее уравновешенность возможна только при равенстве фазных проводимостей [2]. Поэтому в четырехпроводных сетях необходимо снизить составляющую фазных напряжений нулевой последовательности - I₀/3×Z₀, численно равную модулю вектора сдвига нулевой точки О векторной диаграммы напряжений [4]. Здесь I₀/3 - вторичный ток нулевой последовательности силового трансформатора, создаваемый током небаланса протекающим в нулевом проводе и не уравновешенный первичным током. Сопротивление обмоток трансформатора для токов нулевой последовательности: Z₀=r₂+jx₂₂, причем r₂ - характеризует активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, а x₂₂ - однофазный магнитный поток рассеяния, сцепляющийся с вторичной обмоткой по воздуху (аналогичный потокам КЗ, но значительно больший по величине [6]). В обмотках трансформатора индуцируются совпадающие по фазе добавочные э.д.с., которые с учетом увеличения Z₀ за счет сопротивления линии [7], вызывают искажение фазных напряжений на нагрузке дополнительно к возможному искажению линейных напряжений от токов обратной последовательности. Кроме того, магнитные потоки, вызванные токами нулевой последовательности, замыкаясь через поверхность бака, дно и крышку трансформатора, разогревают его корпус, ухудшая охлаждение активной части.

Сопротивление обмоток трансформатора для токов нулевой последовательности -Z₀ отличается от их сопротивления для токов прямой и обратной последовательности. Экспериментальные данные показывают, что для наиболее распостраненных в электрических сетях 10...0,4 кВ РФ и стран СНГ трансформаторов со схемой соединения обмоток Y-Y₀ значение Z₀ больше сопротивления прямой последовательности Z_КЗ трансформатора в 5-12 раз [6], причем это увеличение обусловлено ростом реактивной составляющей Z₀. Как установлено при исследовании промышленных сетей [7], максимальная допустимая неуравновешенная однофазная нагрузка составляет 2-5% от номинальной мощности питающего трансформатора с группой соединения Y-Y₀-12, что приблизительно в 10 раз меньше, чем при ее включении на междуфазное напряжение (несимметрией по обратной последовательности).

Рисунок. Схема симметрирования и компенсации РМ низковольтной сети шестиканальными контроллерами BR6000 производства Epcos AG

Примечание: С1.1-С1.3 - однофазные косинусные конденсаторы (например, серии "PhiCap" или "PhaseCap") с разрядным резистором; К1.1-К1.3 - контакторы конденсаторов. Измерительные трансформаторы тока I_m (клеммы k и I регулятора) установлены в каждой фазе (L1, L2, L3) сети. Напряжение управления контроллера U_m (клеммы L-N) подключается к фазе аналогичной фазе включения трансформатора тока соответствующего регулятора и нейтральному проводу (N). U_b - напряжение питания контроллера (клеммы L-N).

Параллельное подключение емкостной проводимости КБ непосредственно на фазные напряжения [8] позволит уменьшить токи нулевой последовательности и обеспечить требуемый коэффициент мощности узла нагрузки при минимальном количестве элементов компенсации. Для СЭС с разбалансированной нагрузкой компания Epcos AG предлагает версию трехканального управления однофазных КБ контроллерами типа BR6000 (рисунок), функция регулирования которых равнозначна приведенной ниже системе уравнений:

Q_A=K×I_AU_AN·cos(90°-φ _A) = K×I_AU_AN·sinφ _A;

Q_B=K×I_BU_BN·cos(90°-φ _В) = K×I_BU_BN·sinφ _B;

Q_C=K×I_CU_CN·cos(90°-φ _С) = K×I_CU_CN·sinφ _C,

где Q_А, Q_B, Q_С - РМ соответствующей фазы; К - коэффициент трансформации трансформаторов тока; φ_A, φ_B, φ_C - угол сдвига фаз между линейным током и соответствующим фазным напряжением.

Однофазная измерительная система контроллеров BR6000 (рисунок) определяет в четырех квадрантах комплексной плоскости мгновенные значения напряжений и токов и вычисляет их пофазный сдвиг. Полученный результат сравнивается с заданной (аналогичной для всех 3-х контроллеров) уставкой коэффициента мощности, соразмерной углу φ. При наличии отклонения, каждый из контроллеров, независимо друг от друга, коммутирует емкость конденсатора в контролируемую фазу (рисунок).

Параллельное подключение емкостной проводимости конденсаторов C1.1-C1.3 (рисунок) непосредственно на фазные напряжения позволит обеспечить симметричность коэффициента мощности (cosφ) компенсируемой сети и, таким образом, снизить ток нулевой последовательности до допустимого значения [5].

Проблема потерь электроэнергии при передаче - довольно болезненная для российской энергетики, причем основные потери приходятся на сети 0,4 кВ [6]. Несмотря на довольно короткие фидеры, значительная часть потерь здесь образуются за счет несимметрии, вызванной большим количеством однофазных потребителей. Поэтому экономическая выгода от применения симметрирования в обладающий большой суммарной протяженностью низковольтных сетях очевидна и может стать одним из шагов на пути реального снижения потерь электроэнергии.

Литература

1. Анчарова Т.В., Гамазин С.И., Шевченко В.В. Экономия электроэнергии на промышленных предприятиях. М.: Высшая школа. 1990.
2. Шидловский А.К., Борисов Б.П. Симметрирование однофазных и двухплечевых электротехнологических установок. Киев. Наукова думка. 1977.
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергия. 1974.
4. Шишкин С.А. Построение схем измерения входных параметров регуляторов реактивной мощности конденсаторных установок // Электротехника. 2003. №10.
5. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск. ИПК Издательство стандартов. 1998.
6. Сердешнов А, Протосовицкий И, Леус Ю, Шумра П. Симметрирующее устройство для трансформаторов. Средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ // Новости электротехники. 2005. № 1(31).
7. Гамазин С.И., Зеленская М.А. Расчетно-эксперементальное исследования области допустимых несимметричных режимов в системе электроснабжения до 1000В // Электрика. 2003. №3.
8. Патент РФ на изобретение 2229766 H02J3/18. Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности. Шишкин С.А.(RU) - №2002126525 заявл. 07.10.02. опубл. 27.05.04. Бюл.№15.