2.5.Провалы и кратковременные исчезновения напряжения.

Провалом напряжения в точке электрической сети называется внезапное снижение напряжения более чем на 10%, за которым следует его восстановление через промежуток времени длительностью до 30 секунд. Провал напряжения обычно является следствием короткого замыкания, в течение которого величина напряжения определяется удаленностью от места КЗ, а длительность – временем действия защиты и автоматики и относится к категории случайных событий. Средняя вероятность появления провалов определяется по статистическим данным.

2.6.Временное перенапряжение.

Временным перенапряжением называется повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uн продолжительностью более 10 мс. Причинами временных перенапряжений являются коммутация конденсаторных батарей, ненагруженных ЛЭП и трансформаторов, мощных электроприемников, отключение коротких замыканий.

Коэффициент временного перенапряжения: ,

где U_{MAX A} – амплитуда напряжения.

Появление временных перенапряжений носит вероятностный характер.

2.7.Импульсное напряжение.

Импульсное напряжение – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального. Импульсы, вызванные грозовыми явлениями, очень коротки (10 – 15 мкс), но имеют большую амплитуду, в то время, как импульсы, вызванные переходными процессами при коммутациях (коммутационные импульсы) имеют длительность 10 – 15 мс, но значительно меньшую амплитуду.

2.8.Несимметрия токов и напряжений.

Если амплитуды трех фазных (линейных) напряжений равны и угол сдвига между ними одинаков, то имеет место симметрия напряжений. Если один или оба признака симметрии нарушены, напряжение становится несимметричным. Для токов признаки симметрии аналогичны.

Наличие или нарушение симметрии определяется для первой (основной) гармоники. Поэтому при наличии в сети высших гармоник нужно сначала выделить основную гармонику тока и напряжения, а затем разложить ее на симметричные составляющие.

Из нескольких причин несимметрии напряжений выделяют основную – неравенство нагрузок по фазам. При этом неодинаковые фазные потери напряжений в элементах электрической сети приводят к возникновению несимметрии напряжений. Примерами мощных однофазных нагрузок в электрических сетях предприятий могут служить индукционные плавильные и нагревательные печи, сварочные агрегаты, печи электрошлакового переплава. Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы. В электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся с синхронной скоростью в направлении, противоположном направлению вращения ротора. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В АД при коэффициентах обратной последовательности напряжений, встречающихся в практике (К_2U<0,06), снижение вращающего момента АД оказывается невелико. В большей мере несимметрия влияет на потери в электродвигателе и, следовательно на его нагрев, что приводит к сокращению срока службы изоляции.

Задача 1. Четыре провода ЛЭП имеют одинаковые сопротивления R, нагрузка (мелкие однофазные ЭП, включенные на фазное напряжение) симметрично распределена по фазам.

Вопрос: Как изменятся передаваемая по ЛЭП мощность и потери активной мощности в проводах после обрыва одного из них?

Задача 2. Четыре провода ЛЭП имеют одинаковые сопротивления R, нагрузка (мелкие однофазные ЭП, включенные на фазное напряжение) симметрично распределена по фазам.

После обрыва одного провода те же ЭП равномерно распределились на две исправные фазы.

Вопрос: Как изменятся передаваемая по ЛЭП мощность и потери активной мощности в проводах после обрыва одного из них?

Решение: Режим 1: dP=3*I²R.

Режим 2: Ток I2=1,5*I протекает по трем проводам dP=3*(1,5*I)²R=6,75*I²R. Потери активной мощности в ЛЭП возросли более, чем в вдвое.

Для расчетов несимметричных режимов используется метод симметричных составляющих: несимметричную систему представляют, как сумму симметричных систем прямой (основной), обратной и нулевой последовательностей. При симметричном режиме системы обратной и нулевой последовательностей отсутствуют.

где:

U₂ и U₀ – напряжения обратной и нулевой последовательности,

Uн – номинальное напряжение (первая гармоника напряжения).

С погрешностью менее 1 % U₂ может быть найдено по выражениям:

,

где ;.

Симметрирование нагрузки с помощью реакторов и конденсаторных батарей.

Протекание несимметричных токов нагрузки по эл. сети приводит к появлению несимметрии напряжений. Несимметричная система токов может быть представлена симметричными составляющими прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Задача симметрирования состоит в том, чтобы параллельно несимметричной нагрузке подключить устройство, которое компенсировало бы ток обратной и (или) нулевой последовательности. Для этого ток компенсирующего устройства должен быть равен по модулю и противоположен по фазе по отношению к току нагрузки. Такое компенсирующее устройство в общем случае состоит из комбинации емкостных, индуктивных и резистивных элементов.

Рассмотрим два примера симметрирования с помощью реактивных (емкостных и индуктивных) элементов.

2.8.1. Пример 1: к трехпроводной эл. сети на линейные напряжения Uab и Ubc подключены одинаковые активные нагрузки (рис.2.6)

Рис.2.6. Несимметричная нагрузка, подлежащая симметрированию.

Несимметричную система токов Ia, Ib, Ic необходимо разложить на симметричные составляющие. На рисунке 2.7 приведены векторные диаграммы и результаты разложения: Ia₁, Ib₁, Ic₁ – система прямой последовательности, Ia₂, Ib₂, Ic₂ - система обратной последовательности и отсутствующая в данном случае Ia₀, Ib₀, Ic₀ - система нулевой последовательности.

Рис. 2.7. Разложение несимметричной системы токов на симметричные составляющие.

Для проверки правильности разложения следует найти исходную несимметричную систему токов, как векторные суммы токов прямой и обратной последовательности.

Рис.2.8. Векторные диаграммы токов СУ и результирующих токов.

Для устранения несимметрии необходимо компенсировать систему токов обратной последовательности, т.е. подобрать и подключить несимметричный набор реакторов и конденсаторов, образующих симметрирующее устройство (СУ), которое обеспечит протекание линейных токов Iсуа, Iсуb, и Iсус (рис. 3.3.б). Для достижения необходимого симметрирующего эффекта в данном случае могут использоваться два реактивных элемента (схема Штейнметца):

- реактор, включенный на линейное напряжение Uab и проводящий ток Iраb;

- конденсатор, включенный на Ubc и проводящий ток Iкbc (рис.3.3.в).

На рис.2.8.г приведена векторная диаграмма токов симметрирующего устройства. Токи СУ Icya, Icyb и Icyc образуют симметричную систему обратной последовательности.

Общая схема подключения несимметричной нагрузки с СУ приведена на рис.2.8.д.

На рис. 2.8.ж изображена результирующая векторная диаграмма токов после симметрирования, из которой видно, что линейные токи Ia, Ib, Ic равны по величине, сдвинуты на 120 градусов и образуют систему прямой последовательности.

2.8.2. Пример 2: к четырехпроводной эл. сети на фазные напряжения Ua и Ub подключены одинаковые активные нагрузки (рис.2.9).

Ток нагрузки фазы С отсутствует, токи нагрузки Iна, Iнb образуют несимметричную систему, разложение которой на симметричные составляющие показано на рис. 2.9. Ток в нейтральном проводе Iн = 3Iно равен току в фазах. Протекание тока в нейтральном проводе приводит к дополнительным потерям активной мощности.

Основную проблему в четырехпроводных сетях, питающихся от трансформаторов Y/Y, представляют токи нулевой последователь­ности Iнао, Iнbо и Iнсо, которые, складываясь в нейтральном проводнике, вызывают напря­жение смещения нейтрали Uo, которое, в свою очередь, искажает фазные напряжения на нагрузке.

Рис 2.9. Разложение несимметричной системы токов Iна, Iнb на симметричные составляющие.

В идеале, когда сопротивление нулевой последовательности эл.сети равно нулю, напряже­ние Uo=0. На практике же, кроме сопротивления нейтрального проводника, следует учиты­вать сопротивление нулевой последовательности трансформатора. Эти два сопротив­ле­ния включены последовательно и, складываясь, обычно значительно превышают сопро­тивления прямой и обратной последовательностей. Поэтому ток, протекая по нейтральному провод­нику и по сопротивлению нулевой последовательности трансформатора, вызывает появление напряжения смещения нейтрали. При значительной несимметрии нагрузки это напряжение также может быть значительным . Имеется два пути снижения напряжения смещения нейтрали:

Рис. 2.10. Компенсация тока в нейтральном проводнике.

Рис. 2.11. Компенсация тока Iно с помощью токов конденсаторов Iка, Iкс.

Путь1. Уменьшение сопротивления нулевой последовательности трансформатора (Z_OТ). Оно зависит от схемы соединения обмоток трансформатора:

Звезда – звезда (Υ/Υ_О ) : Z_OТ>> Z_Т

Треугольник – звезда (Δ/Υ_О): Z_OТ≈ Z_Т

Звезда – зигзаг (Υ/Ζ_О): Z_OТ<< Z_Т,

где Z_Т – сопротивление прямой последовательности трансформатора

Следует заметить, что снижение Z_OТ приводит к увеличению тока однофазного корот­кого замыкания, поэтому не всегда применение трансформатора с малым Z_OТ возможно.

Путь 2. Снижение тока нулевой последовательности.

Для уменьшения тока, протекающего по нейтральному проводнику и сопротивлению нулевой последовательности трансформатора, используются конденсаторные батареи: за счет подключения конденсаторов, имеющих разные мощности в фазах добиваются такого тока в нейтрали конденсаторов Iко, который был бы направлен встречно и равен по модулю току в нейтрали нагрузки Iно (рис. 2.10).

На рис.2.11 показан графический способ определения состава СУ и нахождения токов отдельных конденсаторов. Ток в нейтрали СУ Iко должен быть равен по модулю току в нейтрали нагрузки Iно, но направлен встречно (рис. 2.11б). Далее (рис.2.11-в) ток Iко раскладывается на составляющие: в данном случае – на токи конденсаторов, подключенных на фазные напряжения Ua (Iка) и Uc (Iкс). Схема подключения конденсаторов СУ показана на рис.2.11-г.

В результате подключения СУ система токов Ia, Ib, Ic их симметричные составляющие изменились (рис.2.12): ток обратной последовательности увеличился, а ток нулевой последовательности полностью исчез.

Рис. 2.12. а) Схема подключения СУ; б) Результирующие токи Ia, Ib, Ic; в), г), д) Разложение системы токов Ia, Ib, Ic на симметричные составляющие.