4.9 Несимметрия напряжения. Способы и средства симметрирования напряжения в электрических сетях

Несимметрия напряжения в трехфазной сети возникает при включении в нее крупных однофазных ЭП: электродуговых и индукционных печей, сварочных и МГД установок, печей электрошлакового переплава и др. Различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы работы электрической сети. Аварий режимы обусловлены несимметричными КЗ или обрывами фаз в ЛЭП. Несимметрия напряжения может быть случайной (вероятностной) и неслучайной. Первая обусловлена случайным характером нагрузок однофазных ЭП, вторая - неравномерным распределением мощности однофазных ЭП в фазах электрической сети. Расчет несимметричных напряжений в ЭМ может быть произведен по методам, изложенным в [23,69, 70].

Несимметрия напряжения приводит к следующим отрицательным последствиям.

1. Происходят дополнительные потери Р в обмотках электрических машин, особенно АД, у которых сопротивление токам обратной последовательности в 2 - 7 раз меньше сопротивления токам прямой последовательности. При коэффициенте обратной последовательности ε₂ – 4 % и дополнительных перегревов токами обратной последовательности обмоток, АД срок его службы сокращается в два раза.

2. Напряжение обратной последовательности снижает вращающий момент АД и может вызвать вибрацию роторов СД из-за появления знакопеременных моментов.

3. Недоиспользуется пропускная способность трехфазных элементов СЭС: ЛЭП, трансформаторов, СК и др.

4. Однофазные ЭП воспринимают несимметричные напряжения как его отклонения со всеми вытекающими последствиями из последних.

5. Возможна ложная работа некоторых видов РЗА.

6. Увеличивается погрешность в работе счетчиков электрической энергии.

Несимметрия может быть снижена за счет рационального построения СЭС или за счет применения ССУ.

К основным мероприятиям первого метода относятся:

- увеличение мощности КЗ;

- равномерное распределение однофазных ЭП по фазам, а для трехфазных четырехпроводных систем - уменьшение сопротивления токам нулевой последовательности.

В качестве специальных технических средств применяются специальные симметрирующие устройства и комплексные, например, фильтросимметрирующие устройства. Существующие способы устранения или снижения несимметрии напряжения в трехфазных системах заключаются в компенсации пульсирующей мощности, то есть в создании в ней пульсирующей мощности, вектор которой N_ссу, равен по величине и противоположен по фазе вектору пульсирующей мощности сети N_c = N_ne^jωt. Так как в этом N_ссу + N_c = 0, то сеть работает в симметричном режиме.

Все существующие ССУ можно разделить на две группы: с электрическими и электромагнитными связями. На рисунке 4.10 представлены некоторые ССУ обеих групп: с электрическими (рисунок 4.10, а-в) и магнитными связями (рисунок 4.10, г, д). В [23] дан анализ достоинств и недостатков этих схем, а также областей их применения. Одноэлементные ССУ (рисунок 4.10, а) могут обеспечить одновременно высокие кпд и cosφ, а только один из этих параметров.

Двухэлементное ССУ (рисунок 4.10, б), известное в литературе как схема Штейнмеца, имеет следующие недостатки:

- невозможность бесконтактного управления емкостью без увеличения (до 1,73 мощности нагрузки) установленной мощности элементов ССУ;

- недоиспользование мощности симметрирующих элементов (на наличие двух регулируемых элементов и сложность регулирования ими, если нагрузка не чисто активная и изменяется в некотором диапазоне.

Наиболее гибкими и универсальными являются трехэлементные ССУ (рисунок 4.10, в), которые позволяют симметрировать напряжение с заданным cosφ нагрузки. Недостатки этих схем:

- низкий коэффициент использования оборудования (К_исп ≤ 0,866);

- увеличение числа регулируемых элементов до трех усложняет и снижает надежность ССУ.

В ССУ с электромагнитными связями (рисунок 4.10, г-е) установленная мощность симметрирующих элементов выбирается минимальной и равной установленной мощности нагрузки, а соответствующим переключением гайки автотрансформатора можно осуществить симметрирование нагрузки с изменяющимся cosφ.

Коэффициент несимметрии напряжения приблизительно может быть определен по формуле

где S_одн и S_кз - мощность соответственно эквивалентной однофазной нагрузки сети и симметричного КЗ в месте ее подключения. Во многих случаях исходя из условия обеспечения допустимого стандартом коэффициента несимметричности напряжения ε₂ ≤ 0,02 производят частичное симметрирование.

Неполное симметрирование режима ЭС особенно эффективно в сетях со случайным образом изменяющейся по фазам несимметрией (дуговые печи, сварочные установки и др.).

а) б)

в) г)

д) е)

Рисунок 4.10 – Наиболее распространенные схемы ССУ