11 Оценка влияния вентильного преобразователя на систему
электроснабжения (СЭС)
11.1 Основные положения
В процессе выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии имеют место искажения формы синусоидальных токов и напряжений.
Главной причиной искажений являются вентильные преобразователи, электродуговые сталеплавильные и рудно-термические печи, установки дуговой и контактной электросварки.
Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.
Высшие гармоники тока и напряжения оказывают отрицательное воздействие на электрооборудование системы электроснабжения, потребителей электроэнергии, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи. Протекание несинусоидального тока в линиях электропередачи, трансформаторах и электрических машинах вызывает дополнительные потери активной мощности, уровень которых может достигать нескольких процентов от потерь при синусоидальном токе. Несинусоидальные токи перегружают конденсаторные батареи, емкостное сопротивление которых обратно пропорционально порядку гармоник. В результате этого конденсаторные батареи не работают: они или отключаются вследствие перегрузки по току или за короткий срок выходят из строя в результате вспучивания, а иногда взрывов.
11.2 Исходные данные
Источником высших гармоник (ИВГ) является вентильный преобразователь, который генерирует 5-ую, 7-ую, 11-ую и 13-ую гармоники тока, с.89 /6/.
Исходные данные для элементов схемы:
- Система (генератор):
• напряжение системы (Ucp) – 6,3 кВ, с.58;
• мощность КЗ системы (SK) −190 MBA, с.7.
- Кабельная линия (КЛ):
• материал жил КЛ − алюминий;
• сечение КЛ (Fном) − 120 мм2, с.61;
• длина КЛ1 (l1) – 0,95 км, с.7;
• удельное реактивное сопротивление КЛ1 (xуд) − 0,08 Ом/км,
с.421 /8/;
• удельное активное сопротивление КЛ1 (rуд) − 0,261 Ом/км,
с.421 /8/.
- Трансформатор, таблица 9.1:
• номинальная мощность трансформатора (Sном,Т) − 1000 кBA;
• высшее напряжение трансформатора (Uhom.ВН) – 6,0 кВ;
• низшее напряжение трансформатора (Uhom.НН) − 0,4 кВ;
• напряжение КЗ трансформатора (Uk) − 5,5%;
• мощность КЗ трансформатора (ΔРк) − 11 кВт.
- ИВГ – вентильный преобразователь:
• расчетная мощность ИВГ (Sp,ИВГ = Sном ИВГ ) − 0,63 MBA .
- Нагрузка, с.53:
• активная мощность нагрузки (РНГ = 1,1Рс,Т) – 514,14 кВт;
• реактивная мощность нагрузки (QHГ)
QHГ = Qр,Т − QБК = 176,913 – 0,000 = 176,913 квар.
11.3 Расчетная схема
Схема для расчета несинусоидальности показана на рисунке 11.1
Рисунок 11.1 Расчетная схема
П
римечание
− На рисунке 11.1 обозначены − номер
узла, − тип элемента.
11.4 Вспомогательный расчёт
Определим ток ИВГ n-ой гармоники
, (11.1)
где Sp,ИВГ − расчетная мощность ИВГ;
UИВГ − номинальное напряжение сети в точке подключения ИВГ;
nг − номер гармоники.
Определим ток ИВГ для 5-ой гармоники
А.
Расчет будем вести в относительных единицах. Базисные величины выписываем с экрана при расчете несинусоидальности напряжения в программе NESIN:
• базисная мощность (Sб) − 100 MBA;
• базисное напряжение со стороны ВН (Uб.вн) – 6,3 кВ;
• базисный ток со стороны ВН (Iб.вн , кА):
;
(11.2)
кА;
• базисное напряжение со стороны НН (Uб. нн , кВ):
;
(11.3)
кВ.
Параметры схемы:
Реактивное сопротивление системы (xС, о.е.)
о.е. (11.4)
Активное сопротивление системы (rС, о.е.)
о.е. (11.5)
Реактивное сопротивление кабельной линии (xКЛ, о.е.)
о.е. (11.6)
Активное сопротивление кабельной линии (rКЛ, о.е.)
о.е. (11.7)
Реактивное сопротивление трансформатора (xТ, о.е.)
о.е. (11.8)
Активное сопротивление трансформатора (rТ, о.е.)
о.е. (11.9)
Определим полную мощность нагрузки (SНГ, МВА)
МВА.
(11.10)
Определим активное сопротивление нагрузки (rНГ, о.е.)
о.е.
(11.11)
Реактивное сопротивление нагрузки (xНГ, о.е.)
о.е.
(11.12)
Определим коэффициент искажения кривой напряжения (КU) (коэффициент несинусоидальности).
На рисунке 11.2 показана схема замещения для n - ой гармоники.
Рисунок 11.2 Расчетная комплексная схема замещения
На рисунке 11.2 приняты следующие обозначения:
− ток
в первой ветви n-ой
гармоники, о.е.;
− ток
во второй ветви n-ой
гармоники, о.е.;
− ток
от ИВГ n-ой
гармоники, о.е.
Все расчеты будут показаны для 5-ой гармоники, остальные гармоники рассчитывается аналогично. Далее результаты для всех гармоник будут занесены в таблицу 11.1.
Комплексное
сопротивление системе для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.13)
Модуль
комплексного сопротивления системы
для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.14)
Комплексное
сопротивление системы для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Модуль комплексного сопротивления системы для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Комплексное
сопротивление нагрузки для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.15)
Модуль
комплексного сопротивления нагрузки
для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.16)
Комплексное
сопротивление нагрузки для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Модуль комплексного сопротивления нагрузки для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Комплексное сопротивление в первой ветви для n-ой гармоники
(
,
о.е.)
. (11.17)
Модуль
комплексного сопротивления в первой
ветви для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.18)
Комплексное сопротивление в первой ветви для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Модуль
комплексного сопротивления в первой
ветви для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Комплексное
сопротивление во второй ветви для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.19)
Модуль
комплексного сопротивления во второй
ветви для n-ой
гармоники (
,
о.е.)
. (11.20)
Комплексное сопротивление во второй ветви для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Модуль
комплексного сопротивления в первой
ветви для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Полное
комплексное сопротивление последовательной
цепи для 5-ой гармоники (
,
о.е.):
; (11.21)
о.е.
Модуль
полного комплексного сопротивления
последовательной цепи для 5-ой гармоники
(
,
о.е.):
;
(11.22)
о.е.
Ток от источника тока ИВГ для n-ой гармоники ( , о.е.)
.
(11.23)
Токи в первой и во второй ветвях определяются по методу чужого сопротивления:
;
(11.24)
.
(11.25)
Ток
от источника тока ИВГ для 5-ой гармоники
(
,
о.е.)
о.е.
Ток
в первой ветви для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Ток
во второй ветви для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Рассчитаем напряжение в каждом узле относительно нулевой точки для
n-ой гармоники по формулам (11.26), (11.27), (11.28):
;
(11.26)
;
(11.27)
.
(11.28)
Напряжение
в первом узле, относительно нулевой
точки для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Напряжение
во втором узле, относительно нулевой
точки для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Напряжение
в третьем узле, относительно нулевой
точки для 5-ой гармоники (
,
о.е.)
о.е.
Остальные расчеты сведены в таблице 11.1, 11.2 и 11.3
Таблица 11.1 – Результаты расчётов сопротивления
Номер гармоники, |
zвет1υ, о.е. |
zвет2υ, о.е. |
zυ, о.е. |
zcυ, о.е. |
zНГυ, о.е. |
5 |
0,662+j3,59 |
143,177+j269,745 |
143,839+j273,335 |
0,0374+j2,63 |
142,179+j244,8 |
7 |
0,662+j5,026 |
143,177+j377,643 |
143,839+j382,669 |
0,0374+j3,682 |
142,179+j342,72 |
11 |
0,662+j7,898 |
143,177+j593,439 |
143,839+j601,337 |
0,0374+j5,786 |
142,179+j538,56 |
13 |
0,662+j9,334 |
143,177+j701,337 |
143,839+j710,671 |
0,0374+j6,838 |
142,179+j636,48 |
Таблица 11.2 – Результаты расчётов тока и напряжения
Номер гармоники, |
Ток первой ветви, Iвет1,10-3, о.е. |
Ток второй ветви, Iвет2,10-3, о.е. |
Напряжение первого узла, U1,10-3, о.е. |
Напряжение второго узла, U2,10-3, о.е. |
Напряжение третьего узла, U3,10-3, о.е. |
5 |
1,308-j0,00466 |
0,01492+j0,00466 |
0,06118+j3,4399 |
0,8826+j4,6926 |
0,9805+j4,315 |
7 |
0,9337-j0,00266 |
0,01141+j0,00266 |
0,0447+j3,4378 |
0,6310+j4,691 |
0,7106+j4,2886 |
11 |
0,5930-j0,00116 |
0,00761+j0,00116 |
0,02889+j3,4311 |
0,4017+j4,6828 |
0,4573+j4,2634 |
13 |
0,5024-j0,00084 |
0,00651+j0,00084 |
0,02453+j3,4354 |
0,3404+j4,6889 |
0,3909+j4,2629 |
Таблица 11.3 – Результаты расчётов модулей напряжений
Номер гармоники, |
Напряжение первого узла, U1,10-3, о.е. |
Напряжение второго узла, U2,10-3, о.е. |
Напряжение третьего узла, U3,10-3, о.е. |
5 |
3,4404 |
4,7749 |
4,4250 |
7 |
3,4381 |
4,7333 |
4,3471 |
11 |
3,4312 |
4,7000 |
4,2879 |
13 |
3,4355 |
4,7012 |
4,2808 |
Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения в i-ом узле (КU,i, %)
,
(11.29)
где Uном.i – номинальное напряжение i-го узла, кВ;
UБ,i – базисное напряжение i-го узла, кВ;
– напряжение
в i-ом
узле относительно нулевой точки для
n-ой
гармоники, кВ.
Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения в 1-ом узле (КU,1, %)
Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения во 2-ом узле (КU,2, %)
.
Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения в 3-ом узле (КU,3, %)
.
Сравним полученные значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения с нормально допустимыми значениями из
ГОСТ 13.109 - 97.
Нормально
допустимое значение при
кВ,
:
>
;
>
.
Нормально
допустимое значение при
кВ,
>
,
т.е.
полученные значения коэффициентов
несинусоидальности
,
,
проходят требования установленные
ГОСТом.
Автоматизированный расчет проводится с помощью программы NESIN. Результаты работы программы приведены в распечатке на с.91.
По результатам расчетов построили диаграмму коэффициентов искажения, которая представлена на рисунке 11.3.
Рисунок 11.3 Диаграмма коэффициентов несинусоидальности
РАСЧЕТ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ
Типы последовательных элементов :
1 Система (генеpатоp)
2 Pеактоp
3 Тpансфоpматоp
4 Воздушная линия
5 Кабельная линия
6 Нагpузка
7 Дpугой элемент ( X и R , Ом )
Номеpа элементов: 1 2 3 4
Типы элементов: 1 5 3 6
Исходные данные для элементов схемы:
1) Система (генеpатоp) :
U = 6.30 кВ , Sкз = 190.000 МВА
2) Кабельная линия :
Алюминий Fном = 120 мм2
X = 0.076 Ом/км , R = 0.258 Ом/км , L = 0.950 км
3) Тpансфоpматоp :
Sтp (МВА) , Uв (кВ) , Uн (кВ) , Uк (%)
1.000 6.000 0.400 5.500
Pкз = 11.000 кВт
4) Нагpузка :
P = 0.514 МВт , Q = 0.177 Мваp
Тип источника высших гаpмоник:
Шестифазный выпpямитель
Номеp узла,к котоpому подключен ИВГ: 2
Расчетная мощность ИВГ: Sp = 0.630 МВА
Данные по гаpмоникам ИВГ:
Номеp Ток(А) Напpяжение(% от Uном)
5 12.1247 0.4947
7 8.6605 0.4903
11 5.5112 0.4875
13 4.6634 0.4869
Коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения
в узлах схемы (% от Uном):
К u[ 1]= 0.722 К u[ 2]= 0.980 К u[ 3]= 0.946