Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Филиппов, Антон Олегович

• Филиппов, Антон Олегович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филиппов, Антон Олегович

Введение.

Глава 1. Потери мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке.

1.1. Общие сведения о потерях и показателях несимметрии в сетях 0,38 кВ

1.2. Однофазные электроприёмники в сетях 0,38 кВ.

1.3. Потери мощности в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке.

1.4. Потери напряжения в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке.

1.5. Выводы по первой главе.

Глава 2. Трансформаторные симметрирующие устройства.

2.1. Назначение трансформаторных симметрирующих устройств.

2.2. Трёхфазное симметрирующее устройство.

2.3. Трансформаторное симметрирующее устройство с индуктивно-ёмкостными симметрирующими элементами.

2.4. Трансформаторное регулируемое симметрирующее устройство.

2.5. Трансформаторное устройство для симметрирования режима трёхфазной сети.

2.6. Трансформаторное симметрирующее устройство с двумя ёмкостными симметрирующими элементами.

Глава 3. Анализ трансформаторного симметрирующего устройства.

3.1. Анализ трансформаторного симметрирующего устройства ТСУ-1.

3.1.1. Схемы ТСУ-1 и ТСУ-2.

3.1.2. Цель и задачи анализа ТСУ.

3.1.3. Допущения принятые при анализе ТСУ.

3.1.4. Уравнения для ТСУ-1.

3.1.5. Решение уравнений для ТСУ-1.

3.1.6. Определение параметров симметрирующих элементов.

3.1.7. Определение токов ТСУ-1.

3.1.8. Определение напряжений ТСУ-1.

3.1.9. Определение симметричных составляющих системы вторичных токов.

3.1.10. Определение мощностей ТСУ-1 и ёмкости симметрирующих элементов.

3.1.11. Принцип действия трансформаторного симметрирующего устройства.

3.2. Анализ трансформаторного симметрирующего устройства ТСУ-2.

3.2.1. Уравнение для ТСУ-2.

3.2.2. Решение уравнений для ТСУ-2.

3.3. Сравнение трансформаторных симметрирующих устройств ТСУ-1 и ТСУ-2.

3.4. Расчёт трансформаторного симметрирующего устройства для питания однофазного сварочного трансформатора.

3.5. Сравнение различных способов питания сварочного трансформатора по потерям мощности в линии 0,38 кВ.

3.6. Расчёт трансформаторного симметрирующего устройства для питания коммунально-бытовой нагрузки, включённой через стабилизатор напряжения.

3.7. Сравнение способов включения стабилизатора напряжения.

3.8. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование трансформаторного симметрирующего устройства.

4.1. Цель и задачи экспериментального исследования ТСУ-1.

4.2. Установка для экспериментального исследования ТСУ.

4.3. Фильтр симметричных составляющих токов прямой и обратной последовательностей.

4.4. Методика экспериментального исследования ТСУ.

4.5. Результаты экспериментального исследования ТСУ-1.

4.6. Метод расчёта коэффициентов обратной последовательности линейных напряжений и токов.

4.7. Анализ результатов исследовйния.

4.8. Результаты исследования ТСУ-1 при активной однофазной нагрузке.

4.9. Выводы по главе 4.!.

Глава 5. Основы методики расчёта экономического эффекта от снижения потерь электроэнерги в сельских сетях 0,38 кВ.

5.1. Общие сведения.

5.2. Метод расчёта снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов.

5.3. Метод расчёта снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ за счёт компенсации реактивной мощности.

5.4. Расчёт экономического эффекта от снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ.

5.5. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства»

В указе Президента Российской Федерации №889 от 4.06.2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики» [39] отмечается: в целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом.

Данный указ Президента РФ является руководящим документом для всех электросетевых компаний России на ближайшие двенадцать лет, в течение которых предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40 % по сравнению с 2007 годом, повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран. Суммарные относительные потери электроэнергии в электрических сетях России составляют примерно 15 % [1], что в 2 — 2,5 раза выше, чем, например в сетях Японии и Германии и более чем в 1,5 раза выше, чем в других промышленно развитых странах [5].

В условиях, когда в сетях ЕЭС России количество современных компенсирующих устройств исчисляется единицами, фильтрокомпенсирующие, фильтросимметрирующие, фазосдвигающие устройства практически отсутствуют, комплексной программы их разработки и внедрения в сетях всех классов напряжения не существует - трудно рассчитывать на коренное изменение ситуации в деле повышения энергетической эффективности российской электроэнергетики» [9].

Исследования эксплуатационных режимов сельских сетей 0,38 кВ, проведённые вузами и научно-исследовательскими институтами, показали, что в сетях с коммунально-бытовыми и смешанными нагрузками возникает значительная несимметрия токов, то есть режимы работы сельских сетей

0,38 кВ являются объективно несимметричными [2, 23, 24]. Несимметрия токов в сети вызывает несимметрию напряжений на зажимах трёхфазных электроприёмников, которая во многих случаях превышает в 2.2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение [24]. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 0,25.0,30, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30.50% по сравнению с симметричным режимом работы [24].

В последние годы доля однофазной нагрузки в сетях 0,38 кВ постоянно увеличивается за счёт возрастания единичной мощности однофазных электроприёмников (стиральные машины, холодильники, электронагреватели и др.) и общего увеличения числа этих приёмников электроэнергии [2]. В результате этого ток в нулевом проводе во многих линиях 0,38 кВ становится равным току в фазных проводах.

Возрастание единичной мощности однофазных электроприёмников в последние годы происходит за счет применения коттеджными постройками мощных однофазных стабилизаторов напряжения, номинальная мощность которых достигает 30 кВА и более. Повышая качество напряжения собственных электроприёмников за счет применения таких стабилизаторов напряжения, эти электропотребители существенно ухудшают качественные показатели электроэнергии и повышают потери в сети 0,38 кВ.

В Федеральном Законе Российской Федерации №261-ФЗ от 23 ноября 2009 года [42] отмечается: «Значение целевых показателей в области электроснабжения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».

Таким образом, сокращение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ является важной государственной задачей.

Стратегическим направлением снижения технических потерь электроэнергии в электрических сетях является их техническое перевооружение, модернизация, создание и внедрение новых технологий передачи и распределения электроэнергии» [5].

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию трансформаторного симметрирующего устройства (ТСУ), разработанного кафедрой Электротехники и электроснабжения СПбГАУ, для снижения потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ. Цель работы.

Снижение потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ с помощью трансформаторного симметрирующего устройства. Задачи исследования.

1. Разработка метода теоретического анализа трансформаторного симметрирующего устройства.

2. Анализ ТСУ для определения зависимостей изменения параметров симметрирующих элементов, токов, напряжений и мощностей трансформатора и конденсаторных батарей от тока однофазной нагрузки.

3. Изучение механизма симметрирования тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов ТСУ.

4. Экспериментальное исследование ТСУ для установления работоспособности устройства и проверки результатов теоретического анализа.

Основные положения диссертации выносимые на защиту: метод теоретического анализа трансформаторного симметрирующего устройства; результаты анализа трансформаторного симметрирующего устройства; принцип действия ТСУ по преобразованию тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов; методика экспериментального исследования ТСУ; результаты экспериментального исследования ТСУ.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Филиппов, Антон Олегович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Несимметрия напряжений в сельских сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками во многих случаях превышает в 2.2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение. При этом потери мощности и электрической энергии в сети 0,38 кВ возрастают на 30-50% по сравнению с симметричным режимом.

2. Для снижения потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ путём симметрирования однофазных нагрузок рекомендуется применять трансформаторные симметрирующие устройства, обладающие следующими достоинствами перед существующими симметрирующими трансформаторами; обладают многофункциональностью (трансформируют напряжение, преобразуют ток однофазной нагрузки в трёхфазный симметричный ток, компенсируют реактивную мощность в сети); имеют номинальную мощность трансформатора в 3 раза меньшую по сравнению с типовыми симметрирующими трансформаторами при одинаковой номинальной мощности однофазной нагрузки.

3. Разработан метод теоретического анализа трансформаторных симметритрующих устройств, применение которого позволило получить математические выражения для расчета параметров симметрирующих элементов, токов, напряжений и мощностей трансформатора и симметрирующих элементов.

4. С помощью векторных диаграмм, построенных для трансформаторного симметрирующего устройства, раскрыт механизм преобразования тока однофазной нагрузки в трёхфазную симметричную систему токов.

5. В результате теоретического анализа двух схем трансформаторного симметрирующего устройства на основании сравнения энергетических показателей выбрана схема для практического применения.

6. Экспериментальные исследования ТСУ показали: работоспособность симметрирующего устройства; совпадение по характеру экспериментальных и теоретических характеристик; правильность метода теоретического анализа трансформаторных симметрирующих устройств.

7. В результате выполненных расчётов установлено, что включение однофазной нагрузки через трансформаторное симметрирующее устройство на линейное напряжение, потери мощности в линии 0,38 кВ сокращаются в 3 раза, а на фазное напряжение — в 6 раз, по сравнению с непосредственным включением нагрузки в сеть.

108

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филиппов, Антон Олегович, 2010 год

1. Бесхмельницын М.И., аудитор Счётной палаты РФ. Российская Энергетика остаётся нестабильной. // Вести в электроэнергетике. — 2007. №1.

2. Бородин И.Ф., Сердешнов А.П. Потери электроэнергии в сельских сетях и пути их снижения // Техника в сельском хозяйстве. — 2002. — №1. — С. 23-26.

3. Будзко И.А., Гессен В.Ю. Электроснабжение сельского хозяйства // М.: Колос. 1979.-480 с.

4. Будзко И.А., Левин М.С. Электроснабжение сельскохозяйственных предприятий и населённых пунктов // М.: Агропромиздат, 1985. — 320 с.

5. Воротницкий В.Э. Нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях: результаты, проблемы, пути решения // Энергоэксперт. 2007. - №3. - С. 10 - 19.

6. Ворфоломеев Г.Н. Симметрирование токов трёхфазной сети при питании однофазных потребителей энергии // Межвузовский сборник научных трудов — Управление режимами электроэнергетических систем. -Новосибирск: НГТУ, 1994.-е. 147-154.

7. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Межгосударственный стандарт // Минск. 1998. 30 с.

8. Добрусин Л.А. Проблема качества электроэнергии и электросбережения в России // Энергоэксперт. 2008. - №4. - С. 30-35.

9. Епифанов А.П. Электрические машины. Учебник // СПб: Издательство "Лань", 2006. 272с.

10. Жуков В.В., Неклепаев Б.Н. Эквивалентное сопротивление обратной последовательности узлов комплексной нагрузки // Электричество. — 1975.-№10.-С. 57-60.

11. Жуков Л.А., Карташов И.И., Рыжов Ю.П., Дорошенко А.И. Дискретное быстродействующее регулирование мощности батарей статических конденсаторов с помощью тиристорных выключателей // Электричество, 1977, №7, С.68-71.

12. Инструкция по расчёту технико-экономической эффективности и планирования мероприятий по снижению расхода электроэнергии на её транспорт в электрических сетях энергосистем. // М.: СПО Союзтехэнерго, 1980. 93 с.

13. Инструкция по снижению технологического расхода электрической энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений: И34-70-028-86. // М.: СПО Союзтехэнерго, 1987. -84 с.

14. Клебанов Л.Д. Вопросы методики определения и снижения потерь электрической энергии в сетях // Л.: Ленинградский университет. 1973. — 72 с.

15. Коваленко П.В. Потери и качество электроэнергии в системах электроснабжения при несимметрии токов и напряжений // Монография. Новочеркасск. - Оникс+, 2007. - 227 с.

16. Коломыцев М.В. Показатели качества электрической энергии в распределительных сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками

17. Сб. научн. тр.: Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий. СПб, СПбГАУ. - 2008. - С. 18-24.

18. Косоухов Ф.Д. Методы расчёта и анализа показателей несимметрии токов и напряжений в сельских распределительных сетях. Учебное пособие // Л.: ЛСХИ, 1984. 42 с.

19. Косоухов Ф.Д. Методы расчёта, способы и средства снижения потерь электрической энергии и повышения её качества в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке// Дисс. . докт. техн. наук. Ленинград, ЛСХИ. - 1989. - 506 с.

20. Косоухов Ф.Д., Горбунов А.О., Островский C.B. Дополнительные потери мощности и напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке // Известия СПбГАУ. 2009. №13. С. 125128.

21. Косоухов Ф.Д., Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Метод расчёта показателей несимметрии напряжений и токов в сетях 0,38 кВ // Известия вузов. Электромеханика. Спец. выпуск. 2008. С. 156-159.

22. Косоухов Ф.Д., Наумов И.В. Несимметрия напряжений и токов в сельских распределительных сетях // Иркутск.: ИРГСХА, 2003. 259 с.

23. Косоухов Ф.Д., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Показатели несимметрии токов и напряжений в сельских электрических сетях 0,38 кВ // Известия СПбГАУ. 2008. - №11. С.238-243.

24. Косоухов Ф.Д., Филиппов А.О. Метод анализа схем трансформаторного симметрирующего устройства // В сб. Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий. СПб.: СПбГАУ. - 2008. -С.13-18.

25. Костенко М.П. Электрические машины. Часть общая // M.-JL: Госэнергоиздат, 1944. 815с.

26. Кузнецов В.Г., Григорьев A.C., Данилюк В.Б. Снижение несимметрии и несинусоидальности напряжений в электрических сетях // Киев: Наук, думка. 1992.-240 с.

27. Лещинская Т.Б., Магадеев Э.В. Методика выбора оптимального варианта повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Монография. // М. МГАУ, 2008. — 110 с.

28. Мельников H.A. Матричный метод анализа электрических цепей // М.: Энергия, 1972.-232с.

29. Мельников H.A. Электрические сети и системы // М.: Энергия. 1975. — 464 с.

30. Милях А.Н., Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Схемы симметрирования однофазных нагрузок в трёхфазных цепях // Киев: Наукова думка, 1973. -219с.

31. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. ч.2 // М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. 444 с.

32. Однофазные стабилизаторы напряжения Электронный ресурс. // интернет магазин: «Стабитек». URL: http://www.stabitek.ru (дата обращения: 19.04.2009).

33. Однофазные сварочные трансформаторы Электронный ресурс. // интернет магазин: «Сварка.ги». URL: http://www.svarprof.ru/catalog/4/ (дата обращения: 19.04.2009).

34. Основы теории цепей: Учебник для вузов. Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов // М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.

35. Пат. RU 2314620С2 РФ, МПК H02J 3/26. Трёхфазное симметрирующее устройство/ Василенко В.Д., Евдокимов В.В.; Опубл. 10.01.2008. Бюл.№1-5с.

36. Патент Франции, №1350762, кл. H 02 M, 1964.

37. Российская газета — Федеральный выпуск №4680 от 7 июня 2008 г.

38. Трансформаторы симметрирующие трёхфазные серии ТСТ Электронный ресурс. // сайт компании: «Интер Электро». URL: http://www.inter-electro.ru/tst.htm (дата обращения: 23.08.2008).

39. Фабрикант B.JI. Фильтры симметрирующих составляющих // ГЭИ, М.-Л.: 1962.-424с.

40. Федеральный закон Российской федерации. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации // М. Кремль. №261-ФЗ, 23 ноября 2009. 132 с.

41. Филиппов А.О. Трансформаторное симметрирующее устройство. Конференция молодых специалистов ОАО «Инженерный центр ЕЭС». М.: Хотьково 2008. 1 электрон, опт. диск. (CD-ROM).

42. Филиппов А.О. Экспериментальное исследование трансформаторного симметрирующего устройства // Известия СПбГАУ. 2010. - №19.

43. Филиппов А.О. Электоснабежние сварочных трансформаторов через трансформаторное симметрирующее устройство // В сб. Энергетический вестник СПбГАУ. СПб: СПбГАУ. 2010. С.91-98.

44. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях // Киев: Наук, думка. — 1985. — 268 с.

45. Шидловский А.К., Москаленко Г.А. Симметрирующие устройства с трансформаторными фазосдвигающими элементами// Киев: Наук, думка. 1981.-202 с.

46. A.C. 235186 (СССР). Трансформаторное регулируемое симметрирующее устройство// А.Н. Милях и др. Опубл. в Б.И., 1969, №5.

47. A.C. 250287 (СССР). Трансформаторное устройство для симметрирования режима трёхфазной сети // В.Г. Кузнецов и др. — Опубл. в Б.И, 1969, №26.

48. A.C. 461471 (СССР). Устройство для симметрирования напряжений низковольтных сетей / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, H.H. Каплычный, В.Т. Третьяк. Опубл. в Б.И., 1975, №7.

49. A.C. 514390 (СССР). Устройство для симметрирования фазных напряжений трёхфазной сети / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, H.H. Каплычный, В.Т. Третьяк. Опубл. в Б.И., 1976, №18.

50. A.C. 586526 (СССР). Устройство для симметрирования токов и напряжений сети с неравномерной нагрузкой фаз / И.П. Белаш, В.Н. Имшенецкий, С.М. Рожавский. Опубл. в Б.И., 1977, №48.

51. A.C. 801187 (СССР). Устройство для симметрирования токов в трёхфазной электрической сети с нулевым проводом / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, И.В. Мостовяк и др. Опубл. в Б.И., 1981, №4.

52. A.C. 862313 (СССР). Симметрирующее устройство для трёхфазной черытёхпроводной сети / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, И.В. Мостовяк и др. Опубл. в Б.И., 1981, №33.

53. A.C. 961042 (СССР). Устройство для симметрирования токов в четырёхпроводных сетях / А.К. Шидловский, А.Д. Музыченко, О.Г. Демченко и др. Опубл. в Б.И., 1982, №35.

54. A.C. 982146 (СССР). Симметрирующее устройство для трёхфазной четырёхпроводной электрической сети / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, И.В. Мостовяк и др. Опубл. в Б.И., 1982, №46.

55. A.C. 993389 (СССР). Устройство для симметрирования токов и напряжений в электрических сетях / В.И. Федулов, Н.Г. Ганиходжаев, В.Г. Васильев и др. Опубл. в Б.И., 1983, №4.

56. A.C. 1023524 (СССР). Устройство для регулирования и симметрирования напряжений в трёхфазной сети с нулевым проводом / А.И. Игнайкин, В.А. Новский. Опубл. в Б.И., 1983, №22.

57. A.C. 1037377 (СССР). Устройство для симметрирования трёхфазных сетей / М.Я. Минц, В.Н. Чинков, О.Г. Гриб. Опубл. в Б.И., 1983, №31.

58. A.C. 1169077 (СССР). Симметрокомпенсирующее устройство для трёхфазных электрических сетей с нулевым проводом / А.К. Шидловский, Г.А. Москаленко, И.В. Мостовяк и др. Опубл. в Б.И., 1985, №27.

59. A.C. 1205223 (СССР). Устройство для симметрирования токов и напряжений в электрических сетях / В.И. Федулов, А.Х. Хамидов, Н.Г. Ганиходжаев и др. Опубл. в Б.И., 1986, №2.

60. A.C. 1206881 (СССР). Фильтросимметрирующее устройство для трёхфазных сетей с нулевым проводом / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, H.H. Каплычный и др. Опубл. в Б.И., 1986, №3.

61. A.C. №658654 (СССР). Симметрирующее устройство Ф.Д. Косоухов -Опубл. вБ.И., 1979.-№15.

62. A.C. №1599814 (СССР). Устройство для измерения несимметрии в трёхфазных электрических сетях Ф.Д. Косоухов, С.А. Кулагин, И.В. Наумов. Опубл. в Б.И., 1990, №38.

63. Заявка 2247819 (ФРГ). Симметрирующее устройство для устранения несимметрии в трёхфазной системе. — Опубл., 1978, №5.

64. Заявка 2708305 (ФРГ). Устройство для симметрирования несимметричного потребителя электрической энергии. Опубл., 1978, №35.

65. Заявка 2713073 (ФРГ). Симметрирующее устройство для трёхфазной сети. Опубл., 1979, №6.

66. Конденсаторы Электронный ресурс. // интернет магазин: «Энергопортал.ру». URL: http://www.energoportal.ru/unit23873.htm (дата обращения: 07.09.2010).

67. Силовые трансформаторы. Каталог продукции Минского электротехнического завода // Республика Беларусь, г. Минск. — 2007. — 26с.

68. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах // М.: Энергия. 1970. - 520с.

69. Бебко В.Г., Меженный С.Я., Стфийчук В.Г., Юрчук В.Ю. Снижение потерь электроэнергии в сельском хозяйстве // Киев. Урожай. 1981. — 120с.

70. Технические характеристики СИП-4 Электронный ресурс. // информационный сайт: «Электроэнергетика». URL: http://forca.ru/spravka/spravka/tehnicheskie-harakteristiki-sip-4-sipn-4-sips-4-proizvodstva-oao-sevkabel.html (дата обращения: 07.09.2010).