Przyczyny modów asymetrycznych w sieciach elektrycznych

Symetryczny trójfazowy układ napięciowy charakteryzuje się napięciami identycznymi pod względem wielkości i fazy we wszystkich trzech fazach. W trybach asymetrycznych napięcia w różnych fazach nie są równe.

Tryby asymetryczne w sieciach elektrycznych powstają z następujących powodów:

1) nierównomierne obciążenia w różnych fazach,

2) niepełnej pracy linii lub innych elementów sieci,

3) różne parametry linii w różnych fazach.

Najczęściej asymetria napięcia występuje z powodu nierówności obciążeń fazowych. Ponieważ główną przyczyną niezrównoważenia napięć jest różnica faz (niesymetria obciążenia), zjawisko to jest najbardziej charakterystyczne dla sieci elektrycznych niskiego napięcia 0,4 kV.

W sieciach miejskich i wiejskich o napięciu 0,4 kV asymetria napięcia jest spowodowana głównie podłączeniem jednofazowego oświetlenia i domowych odbiorników elektrycznych małej mocy. Liczba takich jednofazowych odbiorników energii jest duża i muszą być one równomiernie rozmieszczone w fazach, aby zmniejszyć asymetrię.

W sieciach wysokiego napięcia asymetria jest z reguły spowodowana obecnością mocnych jednofazowych odbiorników elektrycznych, aw niektórych przypadkach trójfazowych odbiorników elektrycznych o nierównomiernym poborze faz. Te ostatnie obejmują piece łukowe do produkcji stali. Głównymi źródłami asymetrii w sieciach przemysłowych 0,38-10 kV są jednofazowe instalacje cieplne, piece termiczne rudy, piece indukcyjne topielne, piece oporowe oraz różne instalacje grzewcze. Ponadto asymetryczne odbiorniki elektryczne to spawarki o różnej mocy. Podstacje trakcyjne zelektryfikowanego transportu kolejowego prądu przemiennego są potężnym źródłem asymetrii, ponieważ lokomotywy elektryczne są jednofazowymi odbiornikami elektrycznymi. Moc pojedynczych jednofazowych odbiorników elektrycznych sięga obecnie kilku megawatów.

Istnieją dwa rodzaje asymetrii: systematyczna i probabilistyczna lub losowa. Asymetria systematyczna jest spowodowana nierównomiernym stałym przeciążeniem jednej z faz, asymetria probabilistyczna odpowiada niestałym obciążeniom, w których różne fazy są przeciążane w różnym czasie w zależności od czynników losowych (asymetria okresowa).

Niepełna praca elementów sieci spowodowana jest krótkotrwałym odłączeniem jednej lub dwóch faz podczas zwarcia lub dłuższym odłączeniem podczas remontów etapowych. Pojedyncza linia może być wyposażona w urządzenia kontroli faz, które odłączają uszkodzoną fazę linii w przypadku, gdy operacja automatycznego ponownego załączenia nie powiedzie się z powodu utrzymującego się zwarcia.

Większość stabilnych zwarć to zwarcia jednofazowe.W takim przypadku przerwanie uszkodzonej fazy prowadzi do zachowania pozostałych dwóch faz linii w ruchu.

W sieci z uziemionym punktem neutralnym zasilacz na linii z niepełną fazą może być akceptowalna i pozwala zrezygnować z budowy drugiego toru na linii. Tryby półfazowe mogą również wystąpić przy wyłączonych transformatorach.

W niektórych przypadkach dla grupy złożonej z transformatorów jednofazowych, w przypadku awaryjnego wyłączenia jednej fazy, dopuszczalne może być zasilanie dwóch faz.W takim przypadku instalacja fazy rezerwowej nie jest wymagana, zwłaszcza jeśli na transformatorach podstacyjnych występują dwie grupy jednofazowe.

Nierówność parametrów linii fazowych występuje np. przy braku transpozycji wzdłuż linii lub jej wydłużonych cykli. Obsługa transpozycji jest zawodna i jest źródłem awarii. Zmniejszenie liczby podpór transpozycji wzdłuż linii zmniejsza jej uszkodzenia i zwiększa niezawodność. W tym przypadku pogarsza się wyrównanie parametrów fazy liniowej, dla której zwykle stosuje się transpozycję.

Wpływ asymetrii napięć i prądów

Pojawienie się napięć i prądów składowej odwrotnej i zerowej U2, U0, I2, I0 prowadzi do dodatkowych strat mocy i energii, a także strat napięć w sieci, co pogarsza tryby i wskaźniki techniczno-ekonomiczne jej pracy. Prądy sekwencji wstecznej i zerowej I2, I0 zwiększają straty w gałęziach podłużnych sieci, a napięcia i prądy o tej samej sekwencji - w gałęziach poprzecznych.

Superpozycja U2 i U0 prowadzi do różnych dodatkowych odchyleń napięcia w różnych fazach. W rezultacie napięcia mogą być poza zakresem.Superpozycja I2 i I0 prowadzi do wzrostu sumarycznych prądów w poszczególnych fazach elementów sieci. Jednocześnie pogarszają się ich warunki grzewcze i spada wydajność.

Brak równowagi wpływa negatywnie na właściwości eksploatacyjne i techniczno-ekonomiczne wirujących maszyn elektrycznych. Tworzy się składowa zgodna prądu w stojanie pole magnetyczneobrót z częstotliwością synchroniczną w kierunku obrotu wirnika. Składowa przeciwna prądów w stojanie wytwarza pole magnetyczne, które obraca się względem wirnika z podwójną częstotliwością synchroniczną w przeciwnym kierunku obrotów. Z powodu tych dwuczęstotliwościowych prądów w maszynie elektrycznej występuje hamujący moment elektromagnetyczny i dodatkowe nagrzewanie się, głównie wirnika, co prowadzi do skrócenia żywotności izolacji.

W silnikach asynchronicznych dodatkowe straty występują w stojanie. W niektórych przypadkach w projekcie konieczne jest zwiększenie mocy znamionowej silników elektrycznych, jeśli nie zostaną podjęte specjalne środki w celu zrównoważenia napięcia.

W maszynach synchronicznych oprócz dodatkowych strat i nagrzewania się stojana i wirnika mogą rozpocząć się niebezpieczne drgania. Z powodu asymetrii skraca się żywotność izolacji transformatora, silniki synchroniczne i baterie kondensatorów zmniejszają generację mocy biernej.

Nierównowaga napięć w obwodzie zasilania obciążenia oświetleniowego prowadzi do tego, że strumień świetlny lamp jednej fazy (faz) maleje, a drugiej fazy wzrasta, a żywotność lamp maleje. Asymetria wpływa na jednofazowe i dwufazowe odbiorniki elektryczne jako odchylenie napięcia.

Typowe szkody spowodowane asymetrią w sieciach przemysłowych to koszty dodatkowych strat mocy, wzrost odpisów remontowych od kosztów kapitałowych, szkody technologiczne, szkody spowodowane spadkiem strumienia świetlnego lamp zainstalowanych na fazach o obniżonym napięciu oraz zmniejszeniem żywotność lamp zainstalowanych na fazach o podwyższonym napięciu, awarie spowodowane spadkiem mocy biernej generowanej przez baterie kondensatorów i silniki synchroniczne.

Asymetria napięć charakteryzuje się współczynnikiem kolejności przeciwnej napięć i zerowym stosunkiem napięć, których normalne i maksymalne dopuszczalne wartości wynoszą 2 i 4%.

Równoważenie napięć sieciowych sprowadza się do kompensacji składowej przeciwnej prądu i napięcia.

Przy stabilnej krzywej obciążenia zmniejszenie nierównowagi napięć systemu w sieci można osiągnąć poprzez wyrównanie obciążeń fazowych poprzez przełączenie części obciążeń z fazy przeciążonej na nieobciążoną.

Racjonalne rozłożenie obciążeń nie zawsze pozwala na obniżenie współczynnika asymetrii napięć do akceptowalnej wartości (np. gdy część mocnych jednofazowych odbiorników elektrycznych nie pracuje cały czas zgodnie z technologią, a także podczas napraw prewencyjnych i kapitalnych). W takich przypadkach konieczne jest użycie specjalnych balonów.

Znanych jest wiele obwodów balunowych, niektóre z nich są sterowane w zależności od charakteru krzywej obciążenia.

Aby zrównoważyć obciążenia jednofazowe, obwód składający się z indukcyjność i pojemność… Obciążenie i połączona równolegle z nim pojemność są podłączone do napięcia sieciowego. Pozostałe dwa napięcia liniowe obejmują indukcyjność i inną pojemność.

Do bilansowania niezrównoważonych obciążeń dwu- i trójfazowych stosuje się obwód o nierównej pojemności baterii kondensatorów połączonych w trójkąt. Czasami baluny są używane ze specjalnymi transformatorami i autotransformatory.

Ponieważ baluny zawierają baterie kondensatorów, zaleca się stosowanie obwodów, w których tryb jest zarówno zrównoważony, jak i generowana jest Q, aby to skompensować. Trwają prace nad urządzeniami do równoczesnego równoważenia modów i kompensacji Q.

Zmniejszenie asymetrii w czteroprzewodowych sieciach miejskich o napięciu 0,38 kV można przeprowadzić poprzez zmniejszenie składowej zerowej prądu I0 oraz zmniejszenie rezystancji składowej zerowej Z0 w elementach sieci.

Redukcję składowej zerowej prądu I0 uzyskuje się głównie poprzez redystrybucję obciążeń. Wyrównanie obciążenia uzyskuje się poprzez zastosowanie sieci, w których całość lub część transformatorów pracuje równolegle po stronie niskiego napięcia. Zmniejszenie rezystancji składowej zerowej Z0 można łatwo zrealizować dla linii napowietrznych 0,38 kV, które są zwykle budowane w obszarach o małej gęstości obciążenia. Możliwość zmniejszenia Z0 dla linii kablowych, czyli zwiększenia przekroju przewodu neutralnego, musi być szczegółowo uzasadniona odpowiednimi obliczeniami techniczno-ekonomicznymi.

Schemat połączeń uzwojeń transformatora rozdzielczego ma znaczący wpływ na nierównowagę napięcia w sieci.6-10 / 0,4 kV.Większość transformatorów rozdzielczych zainstalowanych w sieciach to gwiazda gwiazda z zerem (Y / Yo). Takie transformatory rozdzielcze są tańsze, ale mają wysoką rezystancję składowej zerowej Z0.

Aby zmniejszyć asymetrię napięcia powodowaną przez transformatory rozdzielcze, zaleca się stosowanie schematów połączeń gwiazda-trójkąt z zerem (D / Yo) lub gwiazda-zygzak (Y / Z). Najkorzystniejsze dla zmniejszenia asymetrii jest zastosowanie schematu U/Z. Transformatory rozdzielcze z takim podłączeniem są droższe i bardzo pracochłonne w produkcji. Dlatego muszą być stosowane przy dużej asymetrii ze względu na asymetrię obciążeń i rezystancję składowej zerowej Z0 linii.