СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРНОГО СИММЕТРИРУЮЩЕГО

На правах рукописи

ФИЛИППОВ АНТОН ОЛЕГОВИЧ

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРНОГО СИММЕТРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – Пушкин

2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Косоухов Фёдор Дмитриевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Валге Александр Мартынович кандидат технических наук, профессор Иванов Иван Иванович
Ведущая организация:	ОАО «Северо-западный энергетический инжиниринговый центр» Производственный центр «Западсельэнергопроект»

Защита состоится «14» декабря 2010 г. в 13:30 ч на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург – Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат размещён на сайте ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»: http://www.spbgau.ru

Автореферат разослан «____» ноября 2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

Смирнов В.Т.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Исследования эксплуатационных режимов сельских сетей 0,38 кВ, проведённые вузами и научно-исследовательскими институтами, показали, что в сетях с коммунально-бытовыми и смешанными нагрузками возникает значительная несимметрия токов, то есть режимы работы сельских сетей 0,38 кВ являются объективно несимметричными. Несимметрия токов в сети вызывает несимметрию напряжений на зажимах трёхфазных электроприёмников, которая во многих случаях превышает в 2…2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 0,25…0,30, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских подстанций возрастают на 30…50% по сравнению с симметричным режимом работы.

В указе Президента Российской Федерации №889 от 4.06.2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики» отмечается: в целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом.

Данный указ Президента РФ является руководящим документом для всех электросетевых компаний России на ближайшие двенадцать лет, в течение которых предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40 % по сравнению с 2007 годом, повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран. Суммарные относительные потери электроэнергии в электрических сетях России составляют примерно 15 %, что в 2 – 2,5 раза выше, чем, например в сетях Японии и Германии и более чем в 1,5 раза выше, чем в других промышленно развитых странах.

В Федеральном Законе Российской Федерации №261-ФЗ от 23 ноября 2009 года отмечается: «Значение целевых показателей в области электроснабжения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».

Таким образом, сокращение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ является важной задачей в области сельской электроэнергетики.

Объект исследования. Сельские электрические сети 0,38 кВ.

Предмет исследования. Снижение потерь электрической энергии в трансформаторах потребительских подстанций и сельских линиях 0,38 кВ.

Цель работы. Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства (ТСУ).

Задачи исследования:

1. Разработка метода теоретического анализа трансформаторного симметрирующего устройства.
2. Анализ ТСУ для определения зависимостей изменения параметров симметрирующих элементов, токов, напряжений и мощностей трансформатора и конденсаторных батарей от тока однофазной нагрузки.
3. Изучение механизма симметрирования тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов ТСУ.
4. Экспериментальное исследование ТСУ для установления работоспособности устройства и проверки результатов теоретического анализа.

Основные положения диссертации выносимые на защиту:

• метод теоретического анализа трансформаторного симметрирующего устройства;
• результаты анализа трансформаторного симметрирующего устройства;
• принцип действия ТСУ по преобразованию тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов;
• методика экспериментального исследования ТСУ;
• результаты экспериментального исследования ТСУ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработан метод теоретического анализа трансформаторного симметрирующего устройства;
• получены математические выражения для параметров симметрирующих элементов, токов, напряжений и мощностей трансформатора и конденсаторных батарей в зависимости от тока однофазной нагрузки;
• раскрыт механизм преобразования тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов ТСУ;
• предложена методика экспериментального исследования ТСУ.

Практическая значимость работы заключается в снижении несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ путём применения трансформаторных симметрирующих устройств для симметрирования мощных однофазных нагрузок (стабилизаторы напряжения, сварочные трансформаторы и др.), в результате этого снижаются потери мощности и электроэнергии в этих сетях.

Апробация. Основные положения и результаты исследований представлены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2008 – 2010 гг. Диссертационная работа обсуждалась на секции «Технических наук» III тура Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ в Саратовском государственном аграрном университете 25 – 26 мая 2010 г., а также на научно-практической конференции молодых специалистов ОАО «СевЗап НТЦ» в Санкт-Петербурге, в 2007 г.; на конференции молодых специалистов ОАО «Инженерный центр ЕЭС», Хотьково, сентябрь 2008 г. За участие в работе конференций и выступление с докладами соискатель награждён 5 дипломами.

Внедрение. Материалы исследования трансформаторного симметрирующего устройства приняты к внедрению в филиале ОАО «ЛОЭСК» «Кировские городские электрические сети»

Публикации. По результатам исследований опубликованы 9 статей, в том числе три – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоится из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 73 наименований и 4 приложений, изложена на 115 страницах, включает 17 таблиц и 39 рисунков.

содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации.

В первой главе «Потери мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке» рассмотрены методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях 0,38 кВ при несимметричной системе токов.

Большой вклад в разработку методов расчёта потерь мощности и энергии в электрических сетях при несимметричной нагрузке, способов и средств для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ сделали следующие учёные: С.М. Рожавский, А.К. Шидловский, А.Н. Милях, В.Г. Кузнецов, И.В. Жежеленко, Ф.Д. Косоухов, И.В. Наумов, Н.М. Попов, В.Э. Воротницкий,
Н.А. Мельников, А.П. Сердешнов, Л.А. Солдаткина и другие.

Наибольшее распространение в технической литературе получил метод расчёта потерь мощности и энергии в электрических сетях при несимметричной нагрузке, основанный на методе симметричных составляющих. Так, потери мощности на любом участке сети (трансформатор, линия 0,38 кВ) характеризуются коэффициентом потерь мощности, равным отношению потерь мощности при несимметричной нагрузке DРн к потерям мощности обусловленных токами прямой последовательности DР1:

.

(1)

где – коэффициент обратной последовательности токов;

– коэффициент нулевой последовательности токов;

R0, R1 – активные сопротивления нулевой и прямой последовательности для участка сети;

I1, I2, I0 – токи прямой, обратной и нулевой последовательности на том же участке сети.

Относительные значения фазных потерь напряжения на некотором участке сети определяются следующим образом:

(2)

где – комплексы фазных потерь напряжения на участке сети;

– комплекс фазной потери напряжения прямой последовательности на участке сети;

, – комплексные коэффициенты обратной и нулевой последовательности токов: ;;

– комплексы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей;

– комплексный множитель поворота вектора на 120­0.

Во второй главе «Трансформаторные симметрирующие устройства» рассмотрены наиболее надёжные в эксплуатации, простые по конструкции устройства для симметрирования однофазных нагрузок, выполненные на базе трёхфазных трансформаторов. Сведения о них получены в результате патентных исследований изобретений. Критериями оптимальной конструкции трансформаторного симметрирующего устройства (ТСУ) является: минимальная мощность трансформатора и симметрирующих элементов; простота конструкции ТСУ; многофункциональность симметрирующего устройства; простота регулирования параметров симметрирующих элементов.

Этим критериям удовлетворяет трансформаторное симметрирующее устройство с двумя емкостными симметрирующими элементами (рис. 1)

В этом ТСУ применён трёхфазный силовой трансформатор, первичные обмотки которого с числом витков соединены в звезду. Вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков соединены по специальной схеме: обмотки фаз a и b включены последовательно и встречно, а обмотка фазы с, с последовательно подключённым к ней конденсатором С1, подключена последовательно и согласно с обмоткой фазы а. Таким образом, все три вторичные обмотки трансформатора включены последовательно. К выходным зажимам вторичных обмоток ab подключены параллельно конденсатор С2 и однофазная нагрузка Zн.

Рис. 1. Принципиальная схема трансформаторного симметрирующего устройства с двумя емкостными симметрирующими элементами

При изменении сопротивления однофазной нагрузки емкости конденсаторов С1 и С2 должны изменяться чтобы ток нагрузки преобразовался в симметричную трёхфазную систему токов первичной цепи трансформатора.

К достоинствам этого ТСУ относятся:

1. Симметрирующее устройство является многофункциональным, а именно:

• оно трансформирует напряжение до значения необходимого однофазной нагрузке;
• преобразует ток однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов на входе трансформатора;
• так как во вторичной цепи трансформатора в качестве симметрирующих элементов используются два конденсатора, это ТСУ является одновременно компенсатором реактивной мощности однофазной нагрузки.

2. Использование симметрирующих элементов с малыми потерями активной мощности даёт основание утверждать, что КПД этого ТСУ практически равно КПД трансформатора.
3. Данное ТСУ отличается от других симметрирующих устройств простотой конструкции.

Учитывая существенные преимущества трансформаторного симметрирующего устройства с двумя емкостными симметрирующими элементами перед другими симметрирующими устройствами, рассмотренными в диссертации, нами принято решение провести дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этого ТСУ.

В главе 3 «Анализ трансформаторного симметрирующего устройства» приведены теоретические исследования данного ТСУ. Целью анализа ТСУ является выяснение принципиальной возможности симметрирования однфазной нагрузки, т.е. преобразование однофазного тока в симметричную трёхфазную систему токов на входе трансформатора.

При анализе ТСУ приняты следующие допущения:

1. Трансформатор принимаем совершенным (идеальным), поэтому при любой нагрузке его комплексный коэффициент трансформации по напряжению

,

(3)

где – комплексы фазных напряжений первичной обмотки трансформатора; - комплексы фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

2. Потерями в конденсаторных батареях пренебрегаем, т.е.

.

(4)

3. Однофазная нагрузка имеет индуктивный характер.

.

(5)

4. Трёхфазная система напряжений на входе трансформатора симметрична. Направив по вещественной оси вектор фазного напряжения , запишем комплексы фазных напряжений первичной обмотки трансформатора:

(6)

Задаёмся направлениями токов во всех ветвях схемы (рис. 1) и составляем уравнения в комплексной форме.

На основании закона равновесия МДС вдоль замкнутого контура трансформатора имеем:

; .

(7)

Остальные уравнения составляем по законам Кирхгофа:

; ; ; ; ; ;; .

(8)

Решая систему уравнений (7), (8) относительно первичных токов IА, IВ, IС трансформатора с учётом выражений (3) – (6), получаем следующую систему уравнений с тремя неизвестными IА, IВ, IС:

(9)

Систему уравнений (9) решаем с помощью матриц, получаем искомые токи:

	(10)
	(11)
	(12)

Разложим систему токов (10) – (12) на симметрирующие составляющие I1, I2, I0.

Система токов в первичной цепи трансформатора будет симметричной при условии, если I2=0, так как ток нулевой последовательности при соединении обмоток звездой отсутствует.

Приравняв к нулю, получим:

(13)

Подставив в уравнение (13) значения комплексных сопротивлений Z1 и Z и приравняв к нулю вещественную и мнимую части этого уравнения, получим два уравнения с двумя неизвестными X1 и X2 (реактивные сопротивления симметрирующих элементов):

(14)

В результате решения уравнений (14) находим сопротивления симметрирующих элементов:

	(15)
	(16)