Высшие гармоники в сельских электрических сетях

Содержание

 

1. Особенности распределительных электрических сетей сельскохозяйственного назначения………………………………………………………………………..…...…...2

 

2. Влияние электроприемников предприятий сельскохозяйственных районов на качество электроэнергии по несинусоидальности...……………………..……………...3

 

 

3. Влияние высших гармоник на ток однофазного замыкания на землю и отдельные электроприемники…………………...................................................................................5

 

4. Список литературы……………………………………………………....….….…...10

 

1. Особенности распределительных электрических сетей сельскохозяйственного назначения

 

Особенностью  сельскохозяйственного электроснабжения является необходимость проводить  электроэнергию к огромному числу  сравнительно маломощных объектов, рассредоточенных на большой территории. В результате сельские сети характеризуются большой  протяженностью и малой плотностью нагрузки.

Среди сельских потребителей есть крупные, обеспечивающие производство сельскохозяйственной продукции  на промышленной основе и мелкие, домохозяйства  и предприятия жилищно-комунального хозяйства. К крупным потребителям относятся птицефабрики, тепличные комбинаты по производству ранних овощей, животноводческие фермы и комплексы, овощехранилища, зернохранилища и другие объекты с высокими требованиями к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения.

23 ноября 2009 году принят федеральный закон  № 261 "Об энергосбережении" в котором говорится о Государственном регулировании в области энергосбережения и повышения энергоэффективности путем установления, в частности, требований к обороту отдельных товаров, функциональное назначение которых предполагает использование энергетических ресурсов (в т.ч. установления запретов или ограничений производства и оборота товаров, имеющих низкую энергоэффективность), обязанности проведения обязательного энергетического обследования, обязанности по учету используемых энергоресурсов, требований энергоэффективности зданий, строений, сооружений, требований к "энергетическому паспорту", требований к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергоэффективности, а также порядка исполнения соответствующих обязанностей. В рамках кампании по энергосбережению, проводимой в России в соответствии с федеральным законом № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года происходит модернизация старого и создание совершенно уникального нового оборудования. По результатам энергетического обследования, обусловленного законом № 261-ФЗ, внедряются более усовершенствованные энергосистемы, что существенно повышает показатели не только энергоэффективности, но и качества электрической энергии.

Воздушные линии  напряжением 10 кВ выполняются  трехпроводными с изолированной нейтралью. Они получают питание от подстанций 110-35/10 кВ и являются протяженными (длина одной линии достигает 2-50 км) и разветвленными, выполненными непрочными алюминиевыми проводами. Исходя из рекомендаций по механической прочности на ВЛ 10 кВ применяют провода марки АС: не менее АС-35 на отпайки и не менее АС-70 на магистрали, так же применяются самонесущие изолированные провода.

С точки  зрения механической прочности ПУЭ  запрещают применять провода, сечение  которых меньше нормы.

Распределительные линии низкого напряжения 380/220 В выполняются четырехпроводными с глухозаземленной нейтралью. Магистральные линии делают пятипроводными (три фазных, нулевой и фонарный провод). На опоре провода располагаются в следующем порядке: сверху фазные провода, затем фонарный провод и снизу нулевой провод. К фонарному проводу подключаются уличные светильники. От магистрали отходят двухфазные трехпроводные или однофазные двухпроводные ответвления.

В одном  населенном пункте обычно используют не более четырех сечений проводов. Минимальное сечение, применяемое  в ВЛ 0,38 кВ, у проводов А-50, так же для протяжки ВЛ 0,38 кВ используют СИП. Длина одной линии ВЛ 0,38 кВ не должна превышать 0,5-0,6 км. ВЛ 0,38 кВ протягивают вдоль улиц. Нулевой провод заземляют на всем протяжении линии через 100-150 м (повторное заземление), а также на вводах зданий, где есть рабочее заземление электроустановок.

2. Влияние электроприемников предприятий сельскохозяйственных районов на качество электроэнергии по несинусоидальности

 

Современные жилые дома и общественные здания сельскохозяйственных районов имеют  значительное количество электроприборов  с нелинейными вольтамперными характеристиками. Электроприемники подобного рода потребляют ток, форма которого существенно отличается от синусоидальной. Такие электроприемники являются потребителями электроэнергии для тока промышленной частоты, но одновременно являются и генераторами электроэнергии на более высоких частотах. Несинусоидальные токи создают в элементах сети падение напряжения, что и является причиной искажения синусоидальности кривой напряжения в электрической сети.

Несинусоидальная  форма напряжения и тока в электрических  сетях приводит к множеству негативных последствий: дополнительным потерям в трансформаторах и линиях электропередач, разрушению нулевых рабочих проводников кабельных и воздушных линий, сокращению срока службы электрооборудования, ложному срабатыванию предохранителей и автоматических выключателей, вибрации в электромашинных системах, увеличению тепловыделения в элементах импульсных источников питания и т.д.

Искажения напряжения в узлах электрической  сети, обусловленное протеканием токов искажения, зависит от параметров данной сети (активных и индуктивных сопротивлений ЛЭП и трансформаторов, мощности короткого замыкания и т.д.). В реальных условиях форма кривой тока и напряжения всегда отличается от «идеальной» и оценивается показателями качества электроэнергии.

Нелинейных  характер потребления в сельских электрических сетях, имеют следующие  электроприборы:

• газоразрядные лампы;
• установки электродуговой и контактной сварки;
• системы бесперебойного питания;
• преобразователи частоты;
• двигатели с регулируемой скоростью вращения;
• приборы, имеющие в своем составе преобразователи переменного тока в постоянный ток и т.д.

Представленный  перечень нелинейных электроприборов  показывает, что потребители с  нелинейной нагрузкой составляют значительную часть от общей нагрузки электрических  сетей 0,38 кВ питающих жилые дома и  общественные здания.

3. Влияние высших гармоник на ток однофазного замыкания на землю и отдельные электроприемники.

Как правило, в распределительных  сетях пренебрегают возможным искажением формы кривых установившихся напряжений сети и токов замыкания на землю, считая их синусоидальными. Однако пренебрегать искажением напряжения в сети нельзя. С искажением приходит считаться, особенно в компенсированных сетях. К основным причинам искажения относятся:

1. несинусоидальность ЭДС источников питания сети;
2. нелинейность преобразовательных установок;
3. нелинейность характеристик холостого хода (х.х.) присоединенных к сети трансформаторов.

ЭДС питающих источников обычно содержат ряд нечетных высших гармоник. Считая ЭДС трех фаз симметричными, нетрудно заключить, что 7-я, 13-я, 19-я, ... гармоники образуют трехфазные системы напряжений прямой последовательности, 5-я, 11-я, 17-я, ... гармоники — системы обратной последовательности, а нечетные гармоники, кратные трем, 3-я, 9-я, 15-я, ... — системы нулевой последовательности. Последние создают при нормальном режиме напряжение на нейтрали и дополнительные составляющие фазных напряжений.

Силовые и измерительные трансформаторы, нелинейные нагрузки создают гармоники токов в фазах сети и надлежащие падения напряжения, которые возрастают по мере удаления от питающих источников. Данные падения напряжения накладываются на нормальные фазные напряжения и напряжения нейтрали. Вследствие чего в произвольной точке сети напряжения фаз относительно земли при нормальном режиме помимо составляющих основной частоты, содержат ряд высших гармоник.

При замыкании фазы на землю ток замыкания на землю зависит от ЭДС эквивалентного генератора, которая в свою очередь равна напряжению фазы в точке повреждения в предыдущем режиме. Следовательно, помимо тока основной частоты возникают дополнительные составляющие токов высших гармоник, на которые ДГР, настроенный на частоту 50 Гц, оказывает незначительное влияние. При наложении высших гармоник напряжения или тока они складываются со сглаживающей основной частоты в квадратуре. Таким образом, получающееся в результате сложения действующее значение равно корню квадратному из суммы квадратов всех составляющих разных частот. Следовательно, даже небольшая гармоника напряжения вызывает значительную составляющую тока замыкания на землю.

Высшие  гармонические составляющие тока, генерируемые нелинейными электроприемниками, приводят к негативным, а иногда и к необратимым последствиям.

Из результатов  исследования данной проблемы можно  выделить следующие, в наибольшей степени влияющие на электрооборудование электрических сетей, их системы защит и автоматики, телекоммуникационные системы связи и управления:

1. потери в трансформаторах и электрических машинах;

2. разрушение нулевых рабочих проводников кабельных и воздушных линий;

3. сокращение срока службы электрооборудования;
4. ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей;
5. помехи в сетях телекоммуникаций;

Несинусоидальные  токи могут быть причиной отказов  трансформаторов и электрических  машин вследствие увеличения дополнительных потерь.

Из-за значительной разницы в скоростях вращающихся  магнитных полей, создаваемые высшими  гармониками, и скоростью вращения ротора возникают дополнительные потери в демпферных обмотках ротора и в  магнитопроводе электрической машины.

Перегрев  и разрушение нулевых рабочих  проводников кабельных и воздушных  линий происходит тогда, когда токи нулевых рабочих проводниках  значительно превосходят токи фазных проводников. Защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников  не предусмотрена. В электрических  сетях напряжение до 1 кВ нулевой  рабочий провод не должен быть защищен  автоматическими выключателями  или предохранителями.

Раньше  системы электроснабжения проектировались  только под линейную нагрузку, т. е. электроприемники должны были потреблять ток только основной гармоники. Ток в нулевом рабочем проводнике не превосходил ток в наиболее загруженной фазе, следовательно, защита от перегрева фазных проводников является и защитой нулевого рабочего проводника.

Допустимая  в процессе эксплуатации несимметрия токов по фазам не должна превышать 10% . Нулевые рабочие, заземляющие и нулевые защитные проводники, при выборе сечения и определении длительно допустимых токов, не применяются. Так как ток в этих проводниках при наличии только линейных электроприемников намного меньше токов в фазных проводниках.

Сокращение  срока службы электрооборудования  из-за интенсификации тепловых и электрических  процессов, которые приводят к старению изоляции. В изоляционных материалах при рабочей температуре протекают  химические процессы, которые приводят к постепенному изменению изоляционных и механических свойств. При росте  температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В  электрических машинах токи нулевой  последовательности создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к ухудшению их характеристик.

Высшие  гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Высшие гармоники в  аварийных режимах оказывают  влияние на некоторые устройства релейной защиты, в частности на реле сопротивления. Данное реле измеряет сопротивление на основной частоте, а при наличии высших гармоник 3-го порядка в токе короткого  замыкания выдает существенные ошибки.

Помехи  в сетях телекоммуникации могут  возникать, где силовые и телекоммуникационные кабели расположены относительно близко. В силовых кабелях протекают  высокочастотные гармоники тока, которые наводят в кабелях  телекоммуникации помехи и искажение  информации. Искажения зависят от частоты высших гармоник тока, от расстояния между ними и длины параллельной прокладки сетей. Наибольшее влияние  на телекоммуникации оказывают гармоники  кратные трем, чем выше порядок  гармоники, тем больше уровень помех.

Наличие высших гармоник ухудшает работоспособность  большинства присутствующих в электрических  сетях элементов, что требует  применение мероприятий по их снижению.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения установок дуговой и  контактной сварки определяется в основном 5, 7, 11, 13-й гармониками.

Токи 3-й  и 5-й гармоник газоразрядных ламп составляют 10 и 3 % от тока 1-й гармоники. Эти токи совпадают по фазе в соответствующих  линейных проводах сети и, складываясь  в нулевом проводе сети 380/220 В, обусловливают ток в нем, почти равный току в фазном проводе. Остальными гармониками для газоразрядных ламп можно пренебречь.

Исследования  кривой тока намагничивания трансформаторов, включенных в сеть синусоидального  напряжения, показали, что при трехстержневом сердечнике и соединениях обмоток в электрической сети имеются все нечетные гармоники. Если на вводы трансформаторов подается несинусоидальное напряжение, возникают дополнительные составляющие высших гармоник тока.