Влияние несимметричных нагрузок на работу электроприемников (эп)

Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у ЭП перегруженной фазы могут превысить допустимые значения. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП, при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, что ведет к снижению надежности работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.

Качественно отличается действие несимметричного режима от симметричного у таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели (АД). Сопротивление обратной последовательности АД примерно в 5 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, что ведет к дополнительному нагреву статора и ротора. Все это в итоге приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя.

При несимметрии напряжений сети в синхронных машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети.

В случае наличия токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных элементах сети, что приводит к увеличению суммарных потерь мощности (энергии) и может быть недопустимо с точки зрения нагрева.

Отметим, что значительные токи нулевой последовательности, протекающие через нулевой проводник недостаточного сечения, могут вызвать его сильный нагрев. Зафиксирован ряд случаев возникновения пожаров в зданиях из-за перегрева нулевых проводников, сечение которых составляло 25 или 50 % фазного провода.

При постоянном протекании токов нулевой последовательности через заземлители последние высушиваются, а их сопротивление увеличивается. Это отрицательно воздействует на работу систем релейной защиты и железнодорожной блокировки, что может привести к очень тяжелым последствиям. Несимметрия напряжений значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей из-за значительного увеличения пульсации выпрямленного напряжения, ухудшаются условия работы систем импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование их установленной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах.

Влияние несимметрии напряжений и токов и одновременно несинусоидальности части нагрузок удобно рассмотреть на примере наиболее распространенного вида электроприемников – асинхронном двигателе.

Для анализа и расчетов несимметричных режимов в трехфазных цепях применяется метод симметричных составляющих. Суть метода состоит в представлении любой трехфазной несимметричной системы в виде суммы трех симметричных составляющих: систем прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Симметричные составляющие напряжений прямой U₁, обратной U₁ и нулевой последовательностей определяют по известным соотношениям:

где U_а, U_b, U_с – фазные напряжения сети; - комплексное число, называемое фазным множителем;

.

Обычно питание статорной обмотки двигателя осуществляется по трехпроводной схеме. В этом случае система несимметричных первичных напряжений - U_а, U_b, U_с может быть представлена как сумма составляющих прямой U_а1, U_b1, U_с1 и обратной U_а2, U_b2, U_с2 последовательностей.

Тогда и токи в обмотке статора машины можно представить как сумму токов прямой I_а1, I_b1, I_с1 и обратной последовательностей I_а2, I_b2, I_с2, обусловленных симметричными системами напряжений прямой и обратной последовательностей.

Токи прямой и обратной последовательностей могут быть определены с помощью схем замещения асинхронной машины для напряжений прямой и обратной последовательностей которые представлены на рисунке 3.

Рис.3. Схемы замещения асинхронной машины для напряжений: а – прямой и б – обратной последовательности

Скольжение ротора относительно поля прямой последовательности

где Ω₁ – частота вращения поля прямой последовательности; Ω – частота вращения ротора.

Величина тока прямой последовательности равна

где - сопротивление фазы обмотки статора для токов прямой последовательности.

Для определения тока обратной последовательности I₁₂ используется схема замещения, приведенная на рис. 3б, отличающаяся от схемы замещения для тока прямой последовательности только тем, что в нее вводится скольжение ротора по отношению к полю обратной последовательности

где Ω₁ – частота вращения поля обратной последовательности; – частота вращения ротора, выраженная через скольжение относительно прямого поля.

Ток обратной последовательности равен

где - сопротивление фазы обмотки статора для токов обратной последовательности; - эквивалентное сопротивление ротора для токов обратной последовательности.

Расчет сопротивлений r₂ и x₂ для токов обратной последовательности производится с учетом того, что частота этих токов много больше частоты токов прямой последовательности в роторе f₂₁=Sf₁.

Полные токи в каждой из фаз статора равны:

Степень несимметрии токов фаз характеризуются отношением

Физическую картину влияния несимметрии и несинусоидальности напряжения легко показать, если используя метод наложения, представить асинхронный двигатель, подключенный к сети с несимметрией и несинусоидальностью напряжения, в виде ряда двигателей, расположенных на одном валу и создающих эквивалентный вращающий момент. При этом каждый двигатель включен на напряжение своей частоты (т.е. соответствующей гармоники), своего чередования фаз – в зависимости от той симметричной составляющей, которую он эквивалентирует, и имеет соответствующие параметры: напряжение, частоту вращения и т.д.

Если общий вал всего ряда двигателей имеет частоту вращения n₂ при синхронной частоте вращения n_С, то скольжение двигателя, включенного на напряжение прямой последовательности первой гармоники, будет равно

Для эквивалентных двигателей более высоких частот высших гармоник синхронная частота вращения в n раз больше и скольжение будет равно

где знак плюс соответствует симметричным составляющим, создающим встречные поля вращения, а знак минус – создающим поля, направленными согласно с основным вращающим магнитным полем.

Для всех гармоник, кроме первой, скольжение S≥1, так как с ростом n второе слагаемое из-за роста знаменателя приближается к нулю. Это значит, что все эквивалентные двигатели, кроме первого, можно рассматривать как асинхронный двигатель в заторможенном состоянии, т.е. в режиме КЗ. И только двигатель, подключенный к напряжению первой гармоники, имеет момент и потери как реальный двигатель, включенный на симметричное синусоидальное напряжение 50 Гц. Все остальные двигатели эквивалентного ряда лишь вызывают дополнительные потери, приводящие к перегреву ротора и статора.

Таким образом, при небольшой несимметрии машина работает в тормозном режиме по отношению к полю обратной последовательности, которое соответствует величине скольжения 1<S<2. Механическая характеристика двигателя при этом будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рис.4. Механическая характеристика асинхронной машины при 1<S<2

При S=2 схема замещения для токов обратной последовательности может быть упрощена таким же образом, как и в режиме КЗ, когда S=1. Поскольку , составляющие полного сопротивления схемы для тока обратной последовательности определяются как

Следовательно, величина тока обратной последовательности при S=2 равна

Так как сопротивление короткого замыкания х_К машины относительно мало, ток I₁₂ может достигать значительной величины даже при малой степени несимметрии, характеризуемой напряжением обратной последовательности U₂. Искажения симметрии токов, при этом, получаются много больше, примерно в . Обычно х_К=0,2 о.е., поэтому несимметрия токов в 5 раз больше несимметрии напряжений. Отсюда высокие требования к характеристикам несимметрии напряжения, которые не должны превышать предельных значений 4% по обратной и нулевой последовательностям.

Ток обратной последовательности вызывает дополнительный нагрев машины, что сокращает срок службы двигателя и уменьшает полезную мощность двигателя. Например, при несимметрии напряжения в 4% срок службы полностью загруженного двигателя уменьшается в два раза, а при несимметрии в 5% - располагаемая мощность двигателя уменьшается на 5-10%.

Вращающий момент М, при несимметрии питающих напряжений, представляет собой сумму момента напряжения прямой последовательности и момента, определяемого напряжением обратной последовательности

где

В двигательном режиме, когда 0 < S < 1, момент М₂ действует встречно моменту М₁. Чтобы сохранить тот же результирующий момент при несимметрии напряжений, требуется увеличить М₁ на величину М₂, что приводит к возрастанию скольжения S, дополнительному увеличе­нию потерь и снижению КПД.

Аналогичное влияние несимметрии токов и напряжений оказыва­ется на всю электросеть. Снижается пропускная способность сети, так как обычно только одна фаза загружается до минимального значения. Увеличивается пульсация выпрямленного напряжения вследствие нера­венства напряжения по фазам преобразовательных агрегатов. Электри­ческое освещение работает в ненормальном режиме, с различными све­товыми потоками ламп, подключенных к разным фазам. При несиммет­рии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью фазы батарей конденсаторов: в фазе с пониженным напряжением реак­тивная мощность, отдаваемая в сеть, понижается, а в других фазах по­вышается пропорционально квадрату напряжения. А это, в свою оче­редь, увеличивает несимметрию напряжений.

При несимметрии напряжений сети в синхронных машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. 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.

Правила технической эксплуатации электрических сетей и станций в РФ указывают, что “длительная работа генераторов и синхронных компенсаторов при неравных токах фаз допускается, если разница токов не превышает 10% номинального тока статора для турбогенераторов и 20% для гидрогенераторов. При этом токи в фазах не должны превышать номинальных значений. Если эти условия не выполняются, то необходимо принимать специальные меры по уменьшению несимметрии”.

В случае наличия токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь активной мощности и может быть недопустимо с точки зрения нагрева. Токи нулевой последовательности протекают постоянно через заземлители. При этом дополнительно высушивается и увеличивается сопротивление заземляющих устройств. Это может быть недопустимым с точки зрения работы релейной защиты, а также из-за усиления воздействия на низкочастотные установки связи и устройства железнодорожной блокировки.

Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей: значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения, ухудшаются условия работы системы импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование установленной конденсаторной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения на конденсаторной установке).