Техническая информация по проблемным вопросам повышения качества трехфазных систем электропитания

ТСТ2 - симметрирующий трансформатор
Сравнение ТСТ2 и ТСТ
10.03.2008
Осциллограммы напряжения и тока БП обычного исполнения
Проектирование распределительных сетей объектов с учетом особенностей однофазных нелинейных нагрузок
23.04.2018

Техническая информация по проблемным вопросам повышения качества трехфазных систем электропитания и применения  фильтро-симметрирующих трансформаторов (нормализаторов) переменного напряжения типа ТСТ2 и ТСТ2Р

Почему при выборе трехфазных устройств, обеспечивающих улучшение качества электроэнергии, повышения надежности системы электроснабжения и снижение потерь предпочтение следует отдавать нормализаторам переменного напряжения типа ТСТ2 и ТСТ2Р?

Известно, что более 35% вырабатываемой электроэнергии, распределяется в низковольтных сетях с нулевым проводом. Исследование режимов работы таких сетей показывает, что качество электроэнергии во многих случаях не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97, и ниже уровня допустимого международными стандартами. Главными фактором, ухудшающим режим напряжения у потребителей и увеличивающим потери электроэнергии, является неуравновешенность трехфазной системы электропитания из-за смещения нейтрали фазных напряжений и влияния высших гармоник. Этому способствуют следующие причины:

  1. Практически повсеместное использование трансформаторов с выходным линейным напряжением 380В со схемой соединения «звезда-звезда» с нулем, которая имеет в 10 раз большее значение сопротивления нулевой последовательности, чем значение сопротивлений прямой и обратной последовательностей.
  2. Рост числа однофазных нагрузок большой мощности, нелинейный характер которых приводит к появлению третьей гармоники, имеющий нулевой порядок следования фаз, которая может достигать 100% тока основной частоты. Обычные нагрузки сменяются нелинейными , особенностью которых является импульсное и высокочастотное потребление мощности.
  3. Большая протяженность городских и особенно сельских сетей 380В. Неуравновешенность напряжений, возникающая за счет большого сопротивления нулевой последовательности низковольтных сетей, не может быть исключена с помощью симметричных средств регулирования режима. Более того, симметричное регулирование напряжения, осуществляемое в центре питания при неуравновешенной системе напряжений, неизбежно приводит к увеличению отклонений напряжений у потребителей одной или двух фаз. Дополнительные отклонения напряжения, вызываемые смещением нейтрали фазных напряжений, в значительной степени способствуют установке индивидуальных стабилизаторов напряжения. Наряду с большими затратами дефицитных материалов, их применение вызывает увеличение потерь напряжения и мощности в электрических сетях, дополнительное потребление электроэнергии.
    Наличие высших гармоник в нелинейных нагрузках, приводит к дополнительным потерям электроэнергии,
    снижению срока службы электротехнического оборудования , а в ряде случаев — к выходу оборудования
    из строя.

В четырехпроводных электрических сетях России и других стран СНГ в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда-звезда» с нулем. Однако, эти самые дешевые в изготовлении трансформаторы в эксплуатации экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально несимметричная нагрузка фаз и нелинейный характер однофазных нагрузок – одна из главных причин возрастания потерь в силовых трансформаторах и в снижении качества электроэнергии, поставляемой потребителям, питающимся от этих трансформаторов. В последнее время эта проблема особенно актуальна в связи с распространением в современных системах электроснабжения электроприемников, явно и существенно искажающих сетевое напряжение, таких как управляемый электропривод , сварочные аппараты , компьютерная и другая электронная техника.

Потери короткого замыкания Рк силовых трансформаторов  зависят от величины тока в нулевом проводе и с его увеличением резко возрастают. Ток в нулевом проводе приводит к возникновению потоков нулевой последовательности в трехфазных магнитных системах и носит характер потоков рассеяния, аналогичных потокам короткого замыкания, но по величине значительно больших , о чем свидетельствуют соотношения полных сопротивлений для типов трансформаторов ТМ, ТМА, ТСМА — Zкз и Zо первые Zкз в ( 7 – 15) раз меньше Zо.

Таким образом для решения проблемы качества электроэнергии в сетях низкого напряжения 0,4кВ , целесообразно проведение мероприятий по снижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети, а также применению индивидуальных и групповых фильтрующих и корректирующих устройств.

Одним из эффективных способов снижения смещения нейтрали фазных напряжений и фильтрации высших гармоник , является значительное уменьшение сопротивления нулевой последовательности и сопротивление петли фаза-нуль , достигаемое применением фильтро-симметрирующих нормализаторов переменного напряжения типа ТСТ2 и ТСТ2Р.

Фильтро-симметрирующие нормализаторы переменного напряжения типа ТСТ2 и ТСТ2Р обеспечивают:

  1. Нормализацию фазных ( линейных ) напряжений.
  2. Снижение потребления электроэнергии.
  3. Фильтрацию высших гармоник.
  4. Увеличение срока службы используемого оборудования.
  5. Обеспечивают повышенную надежность и безопасность.
  6. Срок окупаемости менее 24 месяцев.

В целом ряде случаев применение фильтросимметрирующих нормализаторов ТСТ2 и ТСТ2Р позволяет исключить из системы электроснабжения стабилизаторы напряжения. В тех же случаях, когда без применения стабилизаторов напряжения не обойтись — совместное применение трехфазной группы однофазных стабилизаторов и фильтросимметрирующих трансформаторов ТСТ2 позволяет обеспечить  стабилизацию фазных и линейных напряжений одновременно. В тоже время применение трехфазного стабилизатора состоящего их трех однофазных при стабилизации фазных напряжений, может приводить к существенной несимметрии линейных напряжений с весьма неблагоприятными последствиями для трехфазных нагрузок, например, электродвигателей.

Фильтро-симметрирующие трансформаторы (нормализаторы) переменного напряжения типа ТСТ2 изготавливаются по двум вариантам исполнения, а именно: исп.1- с последовательно — параллельным включением и исп.2 – с параллельным включением, а нормализаторы ТСТ2Р только с последовательно-параллельным включением ( исп.1).
При последовательно- параллельном включении нормализатор ТСТ2 ( ТСТ2 Р ) размещают между источником электрической энергии ( питающая сеть или автономный источник энергии ) и электроприемниками – потребителями электрической энергии.

При параллельном подключении ТСТ2 подключается параллельно источнику электрической энергии и нагрузке. Применение фильтро-симметрирующих нормализаторов ТСТ2, с последовательно – параллельным включением, также целесообразно в системе с автономными источниками электроэнергии: дизель — генераторными установками и источниками бесперебойного питания , существенно влияя на увеличение срока службы , надежности этих изделий и снижая потери электрической энергии. Фильтро-симметрирующий трансформатор исключает протекание токов нулевой последовательности по обмоткам генератора и источника бесперебойного питания и снижает нелинейные искажения .

Трехфазные автономные источники электрической энергии:

Дизель-генераторные установки (газовые, бензиновые и др.) и преимущества их совместного применения с фильтросимметрирующими трансформаторами ТСТ2, ТСТ2Р и их модификациями.

Применение в системе автономного электроснабжения фильтросимметрирующих трансформаторов ТСТ2, ТСТ2Р и их модификаций позволяет:

  1. Нормализовать фазные и линейные напряжения при несимметрии токов нагрузки как установившихся, так и динамических режимов работы.
  2. Обеспечить нормальную работу генераторов при несимметрии токов нагрузки, существенно превышающую допустимую (20-25%).
  3. Уменьшить провалы и скачки напряжения при включении и отключении нагрузок.
  4. Обеспечить длительную работу автономных источников электрической энергии при превышении нагрузки по одной из фаз до 50% мощности генератора.
  5. Возможна реализация дополнительной функции — опция догрузочного устройства.
  6. Снизить потери электрической энергии из-за снижения сопротивления, уменьшения гармоник и повысить надежность автономных источников электрической энергии и электроприемников за счет фильтрации высших гармоник, нормализации напряжения и уменьшения отказов электрооборудования в сетях с несимметричными и нелинейными нагрузками.
  7. Исключить протекание токов нулевой последовательности, создающих дополнительное подмагничивание стали, ухудшение характеристик генераторов и дополнительный нагрев сердечников и обмоток.
  8. Обеспечить электромагнитную совместимость электронного и силового оборудования с автономными источниками электрической энергии.

Кратко о негативном влиянии несимметрии напряжений,  токов и высших гармоник на работу электродвигателей, генераторов, трансформаторов, выпрямителей и установок для компенсации реактивной мощности.

Известно:

  • Несимметрия линейных напряжений 4% сокращает срок службы асинхронных электродвигателей в 2 раза. При несимметрии напряжений больше или равной 5% резко увеличиваются вибрация двигателей и нагрев их обмоток.
  • Несимметрия напряжения в 1% создает несимметрию токов в обмотках электродигателей 7-9%, а это дополнительные потери и уменьшение полезного момента.
  • Уменьшение полезного момента примерно равно квадрату коэффициента несимметрии напряжения.
  • При наличии в питающем напряжении электродвигателей высших гармоник, возникает перегрев за счет дополнительных потерь как в статоре так и в роторе.
  • Трехфазные синхронные генераторы очень чувствительны к несимметрии токов. Несимметрия токов трехфазных генераторов приводит к колебаниям активной мощности, механическим перенапряжениям вала, к износу и разрушению подшипниковых щитов, повышенному расходу дизельного топлива дизель-генераторных установок. Согласно ГОСТа на электрические машины длительная работа при несимметрии токов генератора превышающей 20-25% не допустима.
  • При наличии в сети высших гармоник, вызываемыми мощными нелинейными нагрузками, возникают дополнительные потери активной мощности, что приводит к перегреву генератора и снижению КПД
  • Несимметрия входных напряжений питающего трансформатора, как и токов нагрузки приводит,  к появлению неуравновешанности и несимметрии выходных напряжений. В зависимости от схемы соединения обмоток могут возникнуть условия перегрева магнитопровода и обмоток. Трансформаторы с нулевым выводом  могут существенно перегреваться токами высших гармоник нулевой последовательности, особенно третьей гармоникой.
  • Несимметрия напряжений и высшие гармоники увеличивают диэлектрические потери в конденсаторах установок  для компенсации реактивной мощности из-за того ,что их сопротивление с ростом гармоник уменьшается по экспоненциальному закону, что вызывает повышение температуры и сокращение срока службы конденсаторов.
  • Несимметрия напряжений и высшие гармоники усложняют работу установок для компенсации реактивной мощности из-за возможного резонанса токов в сети, который возможен на двух частотах.