Одной из актуальных проблем сельских трехфазных электрических сетей напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью является несимметрия напряжений, известная также как перекос фаз
. Для однофазных потребителей данная проблема также тесно связана с проблемой уровня напряжения на вводах. Несимметрия напряжений выражается в неравенстве между собой модулей векторов фазных напряжений и углов сдвига между ними. Из теоретических основ электротехники известно, что несимметричную систему напряжений можно представить как геометрическую сумму трех симметричных систем напряжений: так называемых составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей [1].
Составляющая прямой последовательности является искомой, при добавлении к которой составляющих обратной и нулевой последовательностей получается несимметричная система напряжений. Основной же причиной несимметрии напряжений в сельских электрических сетях является появление составляющей нулевой последовательности, так как наличие данной составляющей обусловлено протеканием тока в нулевом проводе, который, в свою очередь, возникает при неравномерной нагрузке фаз сети – обычном явлении в сельской местности. Несимметрия напряжений является одним из показателей, по которому оценивают качество электрической энергии в трехфазных электрических сетях напряжением 0,4 кВ в соответствии с ГОСТ 13109-F97 [3]. По этим нормам коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности не должен превышать 4%. Выше было косвенно указано, что причиной несимметрии напряжений в сельских сетях является неравномерная нагрузка фаз. Кроме того, на уровень несимметрии напряжений оказывает влияние такой важный показатель, как величина сопротивления нулевой последовательности сети, в которую входят сопротивление нейтрального провода и сопротивление нулевой последовательности питающего силового трансформатора 10/0,4 кВ – сопротивление обмоток трансформатора протеканию токов нулевой последовательности.
Несимметрия напряжений может отрицательно сказываться на режиме работы однофазных и трехфазных электроприемников, вызывая сбои в работе и сокращая срок безотказной работы. Например, в асинхронных двигателях несимметрия напряжений вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент. Перегрев ускоряет старение изоляции обмоток и, как следствие, выход электродвигателей из строя. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при коэффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза [3]. Наличие несимметрии напряжений в сети ставит под вопросом и применение частотных преобразователей в электроприводе доильных установок для увеличения экономии электроэнергии. Схема на силовых IGBTтранзисторах, применяемая в данных устройствах, довольно чувствительна к пульсациям выпрямленного напряжения, которые неизбежны вследствие несимметрии напряжений, и это, в целом, может быть частой причиной поломок частотных преобразователей. Несимметрия напряжений не позволяет в полной мере выполнять строгие требования к соблюдению норм качества электрической энергии, выдвигаемые европейскими производителями оборудования для сельскохозяйственного производства, что может создать проблемы в гарантийном обслуживании. Для однофазных потребителей несимметрия напряжений в трехфазной сети может сопровождаться либо низким уровнем напряжения (у потребителей наиболее загруженной фазы), либо повышенным напряжением или даже опасностью возникновения перенапряжений (у потребителей наименее загруженной фазы) в случае обрыва нейтрального провода. В первом случае могут быть сбои в работе автоматики различных систем, обеспечивающих ключевые технологические процессы на фермах, что чревато браком продукции и даже падежом поголовья. Во втором случае может иметь место перерасход электроэнергии или выход из строя электрического оборудования ферм.
И в такой ситуации меры по регулированию напряжения на трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ посредством устройства переключения без возбуждения не могут оказать сколько ни будь значимого эффекта, так как такие отклонения напряжения не связаны с потерей напряжения в фазных проводах. Возможность появления повышенного напряжения у однофазных потребителей из-за систематической несимметрии напряжений в трехфазной сети препятствует широкому внедрению энергосберегающих ламп, так как они очень чувствительны к уровню напряжения и при частых скачках напряжения быстро выходят из строя, сводя на нет возможность экономии. Актуальность проблемы несимметрии напряжений ставит задачу ее немедленного решения. Одним из вариантов устранения несимметрии напряжений в сельских электрических сетях напряжением 0,4 кВ является использование специальных устройств симметрирования напряжений. Устройство подобного назначения разрабатывается на кафедре МЖ и ПЭЭСХ
Великолукской ГСХА. Оно позволяет снижать несимметрию напряжений в трехфазной сети, непосредственно воздействуя на величину фазных напряжений. Устройство симметрирования напряжений включается в линию электропередачи и корректирует величину напряжений и сдвиг фаз между ними путем осуществления вольтодобавки. Благодаря данному устройству имеется возможность активно воздействовать на несимметрию напряжений пропорционально ее величине.
Схема электроснабжения ДСП>
Рисунок 1 – Функциональная схема устройства симметрирования напряжений трехфазной сети
Функциональная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 1. На устройство симметрирования напряжений трехфазной сети оформляется патент на изобретение, поэтому техническая реализация указанных на функциональной схеме блоков и их параметры не раскрываются. На входы А1, B1, C1 подаются фазные напряжения, а с выходов А2, B2, C2 снимается симметричная трехфазная система напряжений. Теоретически устройство способно устранять несимметрию напряжений до 100% и может эффективно применяться как для индивидуального, так и для группового улучшения качества электроэнергии по величине несимметрии, повышая, таким образом, уровень энергосбережения и ресурсосбережения в сельских электрических сетях в целом и в отдельно взятых сельскохозяйственных производственных объектах в частности. Эксперимент в лаборатории доказывает, что заложенный в принципиальную схему устройства симметрирования напряжений алгоритм функционирования работоспособен. Кроме того, экспериментально установлено, что устройство способно обеспечивать симметричную систему напряжений на выходе даже в случае такого довольно опасного явления, как обрыв нейтрального провода в сети. В процессе теоретического исследования схемы устройства симметрирования напряжений была выявлена возможность устранять в трехфазной сети высшие гармоники, кратные трем. Данный вывод необходимо проверить экспериментальным путем. Дальнейшие эксперименты и теоретические изыскания будут связаны с исследованием режимов работы трехфазной сети с данным устройством, а также нахождением оптимальных параметров элементов схемы устройства.
Список литературы
1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники /Л.А. Бессонов. – М.: Высшая школа, 1967 г. – 776 с.
2. Гальперин М. В. Электротехника и электроника /М. В. Гальперин. – М.: ФОРУМ, 2009 г. – 480 с.
3. Лещинская Т. Б., Электроснабжение сельского хозяйства /Т. Б. Лещинская, И. В. Наумов. – М.: КолосС, 2008 г. – 655 с.
4. Никулин В. И. Теория электрических цепей /В. И. Никулин. – М.: РИОР: ИНФРА-М, 2013 г. – 240 с.
5. Учебник по общей электротехнике /Г. Шатенье, М. Боэ, Д. Буии др. – М.: Техносфера, 2009 г. – 624 с.