5.10. Несимметрия в электрических сетях

И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЕ СНИЖЕНИЮ

Причины возникновения несимметричных режимов. Симметричная трехфазная система напряжений характери­- зуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны. Несимметричные режимы в элек­- трических сетях возникают по следующим причинам: 1) не- одинаковые нагрузки в различных фазах; 2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети; 3) различные параметры линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из- за неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых элек- троприемников (ЭП) малой мощности. Количество таких однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распреде­- лять по фазам для уменьшения несимметрии.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных ЭП, а в ряде случаев и трехфазных ЭП с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ—это однофазные термические установ­- ки, руднотермические печи, индукционные плавильные пе­- чи, печи сопротивления и различные нагревательные уста­- новки. Кроме того, несимметричные ЭП — это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции элек­- трифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы — однофазные ЭП. Мощность отдельных однофазных ЭП в настоящее время достигает нескольких мегаватт.

Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несим­- метрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз­- кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе­- регружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия) [15].

Неполнофазная работа элементов сети вызывается крат­- ковременным отключением одной или двух фаз при корот­- ких замыканиях (КЗ) либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно обору­- довать устройствами пофазного управления, которые отклю­- чают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда дей­- ствие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого КЗ. В подавляющем большинстве устойчивые КЗ однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к со­- хранению двух других фаз линии в работе. В сети с за­- земленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режи- мы могут быть эффективными в мало освоенных районах Сибири и Дальнего Востока, хотя их применение требует специальных расчетов и обоснований. Неполнофазные ре­- жимы могут возникать и при отключении трансформаторов. В некоторых случаях для группы, составленной из одно­- фазных трансформаторов, при аварийном отключении од­- ной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка ре­- зервной фазы, особенно при наличии двух групп однофаз­- ных трансформаторов на подстанции.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или уд- линенных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транс­- позиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается вырав­- нивание параметров фаз линии, для которого обычно и при- меняется транспозиция (см. § 1.3, рис. 1.5).

Влияние несимметрии напряжений и токов. Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательно­- сти U₂, U₀, I₂, I₀ приводит к дополнительным потерям мощ­- ности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I₂, I₀ увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряже­- ния и токи этих же последовательностей — в поперечных ветвях.

Наложение U₂ и U₀ приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результа­- те напряжения могут выйти за допустимые пределы. Нало­- жение I₂ и I₀ приводит к увеличению суммарных токов в от- дельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются ус­- ловия их нагрева и уменьшается пропускная способность.

Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристик вращающихся электрических машин. Ток прямой последовательности в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхрон­- ной частотой в направлении вращения ротора. Токи обрат­- ной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению. Из- за этих токов двойной частоты в электрической машине воз- никают тормозной электромагнитный момент и дополни- тельный нагрев, главным образом ротора, приводящие к сокращению срока службы изоляции.

В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проекти­- ровании увеличивать номинальную мощность электродвига- телей, если не принимать специальные меры по симметри­- рованию напряжения. В синхронных машинах кроме допол- нительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели и БК уменьшают выработку реактивной мощности.

Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в про- мышленных сетях, включает стоимость дополнительных по- терь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию от капитальных затрат (см. § 6.2), технологический ущерб, ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп, установленных в фазах с пониженным напряжением, и со­- кращением срока службы ламп, установленных в фазах с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения ре­- активной мощности, генерируемой БК и синхронными дви­- гателями.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициен­- том обратной последовательности напряжений и коэффициентом нулевой последовательности напряжений , нормальное и максимальное допустимые значения которых по ГОСТ 13109—87 составляют 2 и 4 %.

Симметрирование напряжений в сети сводится к компен- сации тока и напряжения обратной последовательности. При стабильном графике нагрузок снижение систематиче­- ской несимметрии напряжений в сети может быть достиг­- нуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную. Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позво­- ляет снизить коэффициент несимметрии напряжений до до­- пустимого значения (например когда часть мощных одно­- фазных ЭП работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах). В этих случаях необходимо применять специальные симмет- рирующие устройства. Известно большое число схем сим- метрирующих устройств, часть из них выполняется управ­- ляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.

Для симметрирования однофазных нагрузок применяет­- ся схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на ли­- нейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.

Для симметрирования двух- и трехфазных несимметрич­- ных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощно­- стями БК, включенными в треугольник. Анализ работы этой схемы приведен в § 11.4. Иногда применяют симметрирую- щие устройства со специальными трансформаторами и ав- тотрансформаторами. Поскольку симметрирующие устрой­- ства содержат БК, целесообразно применять такие схемы, в которых одновременно симметрируется режим и генери­- руется Q с целью ее компенсации. Устройства для одновре­- менного симметрирования режима и компенсации Q нахо­- дятся в стадии разработки.

Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I₀ и снижения сопротивления нулевой последовательности Z₀ в элементах сети. Уменьше- ние I₀ в первую очередь достигается перераспределением нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использова­- нием сетей, в которых все или часть трансформаторов ра­- ботают параллельно на стороне НН. Снижение Z₀ можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ, которые обычно сооружаются в районах с малой плотностью на­- грузки. Целесообразность уменьшения Z₀ для кабельных линий, т. е. увеличения сечения нулевого провода, должна быть специально обоснована соответствующими технико- экономическими расчетами.

Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распредели­- тельного трансформатора (РТ) 6—10/0,4 кВ. Большинство РТ, установленных в сетях, имеют схему звезда — звезда с нулем (У/Уо). Такие РТ дешевле, но у них велико Z₀. Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой РТ, целесообразно применять схемы соединения треугольник— звезда с нулем (Д/Уо) или звезда—зигзаг (У/Z). Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение схе­- мы У/Z. Распределительные трансформаторы с таким со­- единением более дорогие, и изготовление их очень трудоем- ко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и Z₀ линий.