Симметрирующие устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ  Российский химико-технологический   университет 

Имени  Д.И.Менделеева

 

Новомосковский институт

Кафедра : «Электроснабжение промышленных предприятий»

 

 

Реферат на тему :

«Симметрирующие устройства»

По дисциплине «Потребители»

 

 

 

 

 

Студент:                                                                                                      

Группа:                                                                                                                     

Преподаватель:                                                                                          

 

 

 

 

 

 

Содержание.

1.Введение.Причины отклонений фазных напряжений……………………………………………………………………3

2.Пути сокращения диапазона  отклонений напряжения…………………………………………………………………….3

3.Схема  симметризации Штейнметца как частный случай оптимального компенсатора Фризе………8

 

4.Список  литературы…………………………………………………………………………………………………………………………...18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.Причины отклонений фазных напряжений.

Основной причиной, вызывающей недопустимые значения отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода, является неравенство (несимметрия) нагрузок по фазам. В соответствии с методом симметричных составляющих, любой несимметричный режим трехфазной цепи можно представить в виде совокупности трех симметричных режимов: прямой, обратной и нулевой последовательностей. В электрических сетях напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью при исправном нулевом проводе в общем случае существуют токи всех видов последовательностей. При оборванном нулевом проводе токи нулевой последовательности отсутствуют, поэтому некомпенсированные напряжения нулевой последовательности вызывают отклонения фазных напряжений.  
В четырехпроводных электрических сетях 0,4 кВ России и других стран СНГ в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда–звезда–ноль» (Y/Yн). Однако эти самые дешевые в изготовлении, трансформаторы в эксплуатации экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально же в сетях с большим удельным весом однофазных нагрузок равномерность их подключения во времени пофазно нарушается и потери электрической энергии в таких трансформаторах и линиях резко возрастают. Лучше ситуация при применении трансформаторов со схемой «звезда–зигзаг–ноль» (Y/Zн), но они значительно дороже.  
Потери короткого замыкания Pк трансформатора Y/Yн зависят от величины тока в нулевом проводе и с его увеличением резко растут. Этот рост обусловлен появлением потоков нулевой последовательности (F0) в магнитных системах трехфазных трансформаторов Y/Yн, создаваемых токами небаланса Iнб(равными 3I0), протекающими в нулевом проводе сети. F0 носят характер потоков рассеяния, аналогичных потокам короткого замыкания Fкз, но по величине они значительно больше, о чем, в частности, позволяют судить соотношения полных сопротивлений Z0 и Zкз. Экспериментальные данные показывают, что Z0 больше Zкз в 5 – 8 раз, а для некоторых конструкций трансформаторов – в 12 и более раз. 
Отсюда неизбежным последствием неравномерности нагрузки фаз в сетях с трансформаторами Y/Yн является резкое искажение системы фазных напряжений (на практике это называют смещением нулевой точки). Как результат – увеличение потерь и в линиях 0,4 кВ. 
Искажение фазных напряжений в реальных условиях эксплуатации нередко вызывает их отклонение, уже на низковольтных вводах трансформатора значительно превышающее нормы ГОСТ. В конце линий, по данным исследований, это отклонение напряжений приблизительно в два раза больше. При указанном качестве питания потребителей повышение в них уровня потерь электроэнергии и отказов в работе вполне естественно. К сожалению, до настоящего времени целенаправленных работ по данным вопросам проводилось недостаточно, хотя, как показывает практика, экономический урон от искажения напряжений у потребителей огромен. 
Завышение установленной мощности трансформаторов Y/Yн сверх требуемой по расчету (для понижения несимметрии напряжения) дает незначительный эффект, но вместе с тем при этом резко повышается уровень потерь электроэнергии в сети. Кроме того, токи нулевой последовательности при несимметрии нагрузки в магнитной системе трансформатора Y/Yн создают потоки нулевой последовательности, которые, замыкаясь через его бак, дно, крышку, разогревают их, ухудшая охлаждение активной части. Это повышает температуру изоляции обмоток сверх нормы, и трансформатор, при суммарной нагрузке ниже номинальной, оказывается перегруженным. Такое положение объективно вызывает необходимость увеличения номинальной мощности трансформатора на одну, а иной раз на две ступени больше расчетной со всеми вытекающими последствиями.

2.Пути сокращения диапазона отклонений напряжения.

Известно большое количество методов симметрирования трехфазных систем. Их подразделяют на методы внешнего и внутреннего симметрирования. Внешним симметрированием принято называть компенсацию токов обратной и (или) нулевой последовательностей с помощью дополнительных по отношению к сети специальных устройств. Внутренним симметрированием называют равномерное распределение однофазных приемников электроэнергии по фазам, осуществляемое без дополнительных по отношению к сети устройств.

Системы внешнего симметрирования базируются, в основном, на применении специальных устройств, генерирующих токи или напряжения обратной и (или) нулевой последовательностей. Наиболее простой и широко применяемой на практике является схема Штейнметца (рис. 1).

Рисунок 1. Схема Штейнметца

Непосредственное применение схемы внешнего симметрирования в городских электрических сетях нецелесообразно из-за нестабильности нагрузок по фазам. Поэтому уменьшение отклонений фазных напряжений, возникающих при обрыве нулевых проводов линий напряжением 0,4 кВ, до допустимого значения в ряде случаев осуществляется с помощью следующих устройств:

1. Стабилизаторы напряжения  с пофазным регулированием.

2. Симметрирующие устройства на основе конденсаторно-вентильных схем.

3. Компенсаторы реактивной  мощности на основе реакторно-вентильных  схем.

В качестве стабилизаторов напряжения могут быть использованы группы однофазных трансформаторов с быстродействующими регуляторами напряжения под нагрузкой.

На рис. 2 показана схема регулятора для однофазного потребителя. В нормальном режиме включен один из электронных ключей К1-К5. При возникновении отклонения напряжения, системой управления (СУ) включается ключ, соответствующий фазному напряжению на входе потребителя, тем самым обеспечивается напряжение на заданном уровне. Недостатками способа являются значительные материальные затраты, а также невысокая надежность электронного коммутатора, особенно при коротких замыканиях у потребителя. Следует подчеркнуть, что каждый из электронных ключей должен выдерживать кратковременно ток до 2 кА, что определено стандартом на электроустановки зданий. Опыт применения таких устройств у бытовых потребителей показал крайне низкую надежность электронных ключей. А если вместо электронных ключей использовались электромеханические реле, то срок службы контактов этих реле не превышал 1-2 лет.

Рисунок 2. Однофазный регулятор напряжения

Симметрирующие устройства, выполненные на основе конденсаторно-вентильных и реакторно-вентильных схем, обладают существенными недостатками: высокая стоимость; необходимость специального автоматического регулятора. Будучи установлены на питающей подстанции, указанные устройства и при обрыве нулевого провода не смогут скомпенсировать возникающие в фазах напряжения нулевой последовательности. По существу, эти устройства должны функционировать при исправном нулевом проводе.Для уменьшения отклонений фазных напряжений предлагается построить трехфазную четырехпроводную сеть напряжением 0,4 кВ, следующим образом (рис. 3):соединить между собой нулевые точки обмоток низшего напряжения питающих трансформаторов смежных подстанций системы электроснабжения;

соединить между собой концы нулевых проводов смежных линий напряжением 0,4 кВ.

Рисунок 3. Однолинейная схема предлагаемой сети 0,4 кВ

Для уменьшения сопротивления нулевой последовательности силовых трансформаторов последние должны иметь схему соединения треугольник-звезда с выведенной нейтралью.

Исходя из требований надежности, целесообразно соединить нейтраль каждого трансформатора с нейтралями двух смежных. Это позволит исключить повреждение однофазных приемников при одновременном обрыве нулевых проводов на двух линиях, отходящих от смежных подстанций. Соединение нейтралей трансформаторов и нулевых проводов линий повышает безопасность обслуживания линий, т. к. при обрыве нулевого провода ни одна из его частей не оказывается под напряжением, близким к номинальному фазному.

Заменим сопротивления линий связи Wсвн1, Wсвн2, в начале линии W1, питаемой от трансформатора Т1, и в конце линии Wсвк1, Wсвк2, включая основные и повторные заземления смежных линий, питаемых от трансформаторов Т2 и ТЗ, одним эквивалентным Zсв. Тогда при обрыве нулевого провода на линии W1 можно записать

(1)

где   комплексы ЭДС фаз А, В, С; Yi - комплексы проводимостей фаз А, В, С; R3

 
Трансформатор плюс СУ.

Для устранения указанных недостатков разработано и всё более активно начинает применяться специальное симметрирующее устройство (СУ), которое встраивается в трансформатор со схемой Y/Yн. 
Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Yн (рис. 1). Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную однофазную нагрузку.

Рис. 1  Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора
Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора. Обмотки высокого напряжения. Обмотки низкого напряжения. Обмотка из компенсационных витков. Дистанционные клинья. Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения. Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.

 
Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора Y/Yн из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках Fор трансформатора Y/Yнполностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности Fок от симметрирующего устройства. Тем самым в конечном счете предотвращается перекос фазных напряжений. 
На рис.2 показаны зависимости потерь короткого замыкания Pктрансформатора ТМ 100/10 от величины тока в нулевом проводе при lb =lc= Iни Iа= от ноля до Iн при различных схемах соединения обмоток. Энергетические характеристики трансформаторов Y/Yн (потери короткого замыкания, холостого хода и др.) от наложения симметрирующего устройства практически не меняются, но при этом значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. Система фазных напряжений при неравномерной нагрузке фаз симметрируется так же, как и при схеме соединения обмоток Y/Zн. 
 
 

Рис. 2 
Зависимость потерь короткого замыкания трансформатора ТМ 100/10 от схем соединения обмоток и величины тока в нулевом проводе (3I0 ): 
1 – трансформатор Y/Yн; 
2 – трансформатор Y/Zн; 
З – трансформатор Y/Yн с СУ. 
  
 
У некоторых специалистов возникало опасение, что при протекании значительного тока нулевой последовательности через дополнительную обмотку, включенную в нейтраль стороны НН, возникнет значительное напряжение на нейтрали НН и, как следствие, повышение напряжения на фазах. Расчеты и эксперименты показали, что напряжение на обмотке компенсационных витков трансформатора с симметрирующим устройством при токе в нулевом проводе, равном номинальному, достигает величины номинального фазного напряжения и уравновешивает на нейтрали обмоток низкого напряжения электродвижущую силу нулевой последовательности от рабочих обмоток до нулевого значения. Конечно, при условии правильного согласования витков рабочих обмоток и компенсационных. 
Разработанная конструкция значительно снижает сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора. Это означает существенное увеличение токов однофазного короткого замыкания и является одним из достоинств трансформаторов Y/Yн с СУ, так как обеспечивает легкую и надежную наладку релейной защиты и ее четкую работу при КЗ. Кроме того, разрушающее воздействие увеличенного тока однофазного КЗ на обмотки трансформатора Y/Yн с СУ значительно ниже, чем от тока КЗ при отсутствии компенсационной обмотки, так как мощный несимметричный разрушающий поток нулевой последовательности полность

3.Схема симметризации Штейнметца как частный случай оптимального компенсатора Фризе.

Изящество схемы симметризации Штейнметца (ССШ) одноплечевой нагрузки  , когда она дополняется до полной Δ-нагрузки реактивными элементами  ,  , на протяжении более века вызывает неослабевающий интерес [4–6]. Нагрузка ССШ со стороны источника "видна" как чисто активная сбалансированная нагрузка. ССШ полностью устраняет дополнительные потери от реактивного и несбалансированного тока, полностью убирает пульсации мгновенной мощности (ММ) и обеспечивает единичный коэффициент мощности (КМ) – изменённая полная мощность равна активной мощности. 

Доказательство этих свойств ССШ и определение параметров компенсирующих элементов делается с помощью векторных диаграмм [1]. Попытка применения метода векторных диаграмм при произвольной НН наталкивается на определённые трудности, поскольку компьютерная реализация этого визуального метода затруднительна. Для инженерных расчётов КУ при произвольной НН нужны простые и понятные формулы.

Известно, что метод Fryze [7] компенсации неактивного тока позволяет обеспечить единичный КМ при любой нагрузке и любом напряжении.  Проблема заключается в его реализации с помощью реактивных элементов [8]. В [9] показано, как метод Fryze применить при любом несимметричном напряжении, что позволяет реализовать КУ как следящую систему, оптимально  компенсирующую неактивный ток при изменении несимметрии напряжения.

Покажем, как в рамках метода Fryze получить простые формулы для расчёта реактивных элементов  компенсатора (симметризатора) при симметричном напряжении.

Разложение Fryze при несимметричном синусоидальном напряжении. В синусоидальном режиме трёхфазные токи и напряжения в трёхпроводном сечении полностью определены трёхмерными векторами – комплексными действующими величинами (3D-комплексами) напряжения и тока

,             .                                  (1) 

 

Для вектора полного тока справедливо ортогональное разложение Fryze

,                     ,                                                (2)

где 3D-комплексы активного и  неактивного токов Fryze [10]

,                                                              (3)

определены через 3D-комплексы токов и напряжений (1). Здесь   и   – активная и реактивная мощности (реальная и мнимая части комплексной мощности)

,        ;                                      (4)

– векторное произведение 3D-комплексов напряжения и токов (вектор мощности небаланса нагрузки);   и   –комплексно сопряжённый (КС) вектор тока и напряжения,   - знак операции транспонирования.