3. Причины и характер несимметрии в электрической сети

Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.

Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:

1) неодинаковые 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 электроприемников малой мощности. Количество таких однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распределять по фазам для уменьшения несимметрии.

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

Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегрузкой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время перегружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся нессимметрия).

Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройствами пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого короткого замыкания.

4. Показатели качества электроэнергии в несимметричных режимах Отклонение напряжения номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей; изменения мощности компенсирующих устройств; допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения равны соответственно ±5 и ±10 % от Uном. Колебания напряжения вызываются резким изменением нагрузки на рассматриваемом участке электрической сети, например, включением асинхронного двигателя с большой кратностью Iпуск. Колебания напряжения характеризуются: размахом изменения напряжения ;дозой фликера .Размах изменения напряжения вычисляют по формуле, % Доза фликера - это мера восприимчивости человека к воздействию колебаний светового потока, вызванных колебаниями напряжения в питающей сети, за установленный промежуток времени. Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями : -коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения; -коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения определяется по выражению, % Несимметрия напряжения характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности. Отклонения частоты – разность между действительным и номинальным значениями частоты, Гц Стандартом устанавливаются нормально и предельно допустимые значения отклонения частоты равные ± 0,2 Гц и ± 0,4 Гц соответственно. Провал напряжения относится внезапное значительное изменение напряжения в точке электрической сети ниже уровня 0,9, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Характеристикой провала напряжения является его длительность - Предельно допустимое значение в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Импульс напряжения и временное перенапряжение. Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения. Импульсное напряжение в относительных единицах равно: .

5. Несимметрия напряжений вызывается чаще всего наличием несимметричной нагрузки. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, снижается надежность работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.Качественно отличается действие несимметричного режима по сравнению с симметричным для таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели. Особое значение для них имеет напряжение обратной последовательности. Сопротивление обратной последовательности электродвигателей примерно равно сопротивлению заторможенного двигателя и, следовательно, в 5 – 8 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, которые накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя (уменьшению к.п.д. двигателя). Так, срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя, работающего при несимметрии напряжения 4%, сокращается в 2 раза. При несимметрии напряжения 5% располагаемая мощность двигателя уменьшается на 5 – 10% .

При несимметрии напряжений сети в синхронных машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, а в особенности при недостаточной прочности и наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30%, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают.

Несимметрия напряжений значительно влияет и на однофазные ЭП, если фазные напряжения неравны, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением. Несимметрия напряжений усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.

6. Метод симметричных составляющих Для анализа и расчета несимметричных режимов в трехфазных цепях широко применяется метод симметричных составляющих. Он основан на представлении любой несимметричной системы величин (Е, U, I, Ф и т.д.) в виде суммы трёх систем симметричных величин (рис.4.28). Симметричные системы, образующие в совокупности несимметричную систему, называются симметричными составляющими последней. Симметричные составляющие отличаются друг от друга порядком следования фаз и называются системой прямой, обратной и нулевой последовательностей. Величинам, относящимся к системам прямой, обратной и нулевой последовательностей, принято приписывать индексы 1, 2 и 0 соответственно. Система прямой последовательности имеет такую же последовательность, как и исходная система. Система обратной последовательности имеет противоположную по сравнению с исходной системой последовательность. Система нулевой последовательности состоит из трех одинаковых по величине и направлению векторов В связи с этим можно записать следующие соотношения: Комплексное число называется фазным множителем и обозначается как Умножение любого вектора на а соответствует повороту его на 120^о против часовой стрелки. Учтём, что Поскольку 1, а и а² образуют симметричную систему, то 1+а+а²=0. Используя фазный множитель, можно так переписать взаимосвязь величин, относящихся к разным последовательностям:

Докажем, что несимметричную систему векторов А, В и С можно разложить на симметричные составляющие. Если это так, то А=А₁+А₂+А₀; В=В₁+В₂+В₀; С=С₁+С₂+С₀. Или А=А₁+А₂+А₀; В=а²А₁+аА₂+А₀; С=аА₁+а²А₂+А₀. Мы получили три уравнения для трех неизвестных величин, что и доказывает возможность разложения несимметричной системы на симметричные составляющие. Если взять сумму этих уравнений, то получим: А+В+С= (1+а+а²)А₁+(1+а+а²)А₂+3А₀, откуда