Краткие теоретические сведения

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательности, значительно меньших, чем составляющие напряжения прямой последовательности.

Причиной появления несимметрии напряжений и токов являются различные несимметричные режимы системы электроснабжения.

В системах электроснабжения различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы. Кратковремен­ные несимметричные режимы обычно связаны с различными аварийными процессами, как, например, несимметричные КЗ, обрывы одного или двух проводов воздушной линии с замыканием на землю и т. д. Длительные несимметричные режимы обычно обусловлены несимметрией элементов электрической сети или подключением к системе электроснабжения не­симметричных (одно-, двух- или трехфазных) нагрузок.

Несимметрию напряжений и токов, обусловленную несимметрией эле­ментов электрической сети, называют продольной. Примером продольной несимметрии являются неполнофазные режимы воздушных линий и несимметрия параметров фаз отдельных элементов сети. Продольная не­симметрия характерна также для специальных систем электропередачи: два провода — земля (ДПЗ), два провода — рельсы (ДПР), два провода — труба (ДПТ) и т.д.

Несимметрию напряжений и токов, вызванную подключением к сети многофазных и однофазных несимметричных нагрузок, называют попереч­ной. Поперечная несимметрия возникает также при неравенстве активных и реактивных сопротивлений отдельных фаз некоторых приемников электроэнергии (дуговые электропечи).

Для анализа и расчетов несимметричных режимов в трехфазных цепях в основном применяют метод симметричных составляющих, основанный на представлении любой трехфазной несимметричной системы величин (токов, напряжений, магнитных потоков) в виде суммы в общем случае трех симметричных систем величин. Эти симметричные системы, которые в совокупности образуют несимметричную систему величин, называют ее симметричными составляющими. Симметричные составляющие отлича­ются друг от друга порядком следования фаз, т. е. порядком, в котором фазные величины проходят через максимум, и называются системами прямой, обратной и нулевой последовательности.

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием состав­ляющих обратной последовательности, а несимметрия фазных — еще и на­личием составляющих нулевой последовательности.

На рис. 1 приведены векторные диаграммы прямой, обрат­ной последовательностей и результирующих напряжений. Как вид­но из векторной диаграммы результирующего напряжения, при появлении в трехфазной сети напряжения обратной последователь­ности ухудшается режим напряжений как трехфазных, так и одно­фазных электроприемников.

Особенно неблагоприятно влияет напряжение обратной последовательности на работу вращающихся электрических машин.

а) 6) в)

Рис. 1. Влияние появления напряжения обратной последовательности на величину результирующих напряжений сети: а - векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б - векторная диаг­рамма напряжений обратной последовательности; в - векторная диаграмма результи­рующих напряжений

В асинхронных двигателях несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5... 7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляю­щей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вы­зывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его рас­полагаемая мощность. Быстро стареет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при ко­эффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.

При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последо­вательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных при­емников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств.

Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы рабо­ты многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация вы­прямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние не­симметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений нерав­номерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что дела­ет невозможным полное использование 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 (пропорционально квадрату напряжения).

Несимметрия напряжения значительно влияет и на однофазные потребители. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напря­жением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением.

Несимметрия усложняет работу релейной защиты, ведет к ошиб­кам при работе счетчиков электроэнергии и т. д.

Установившееся значение прямой последовательности основной частоты определяется по выражению:

где U_AB(1)i, U_BC(1)i, U_CA(1)i – действующее значение межфазных напряжений основной частоты в i-ом наблюдении, В, кВ.

Допускается:

1) определять U_i(1)i методом симметричных составляющих;

2) определять U_i(1)i по приближенной формуле

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии по обратной последовательности К_2U (%) и по нулевой последовательности К_0U (%).

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям равны 2,0 и 4,0%. Нулевую последовательность наблюдают в четырехпроводных электрических сетях напряжением 0,38 кВ.

Измерение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U проводят для междуфазных напряжений. В каждом i-м наблюдении за период времени 24 ч измеряют действующие значения междуфазных напряжений по основной частоте U_АВ(1)I, U_ВС(1)I, U_СА(1)I и вычисляют действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты по формуле

U_2(1)i= (1)

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2Ui в процентах вычисляют как результат i-го наблюдения, %,

К_2Ui=U_2(1)I / U_1(1)i, (2)

где U_2(1)I, U_1(1)I – действующие значения напряжения обратной и прямой последовательностей основной частоты в i-м наблюдении, кВ.

Допускается определить U_2(1)I методом симметричных составляющих, а также по приближенной формуле

U_2(1)I,п= 0,62 (U_нб(1)i- U_нм(1)i), (3)

где U_нб(1)I, U_нм(1)I – наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений основной частоты в i-м наблюдении, кВ.

При определении К_2Ui допускается использовать значения номинального междуфазного напряжения U_н.мф.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U, %, определяют как результат усреднения Т наблюдений на интервале времени, равном 3 с:

К_2U = . (4)

Для определения коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности К_0Ui измеряют одновременно действующие значения трех междуфазных и двух фазных напряжений основной частоты U_АВ(1)I, U_ВС(1)I, U_СА(1)I, U_А(1)I, U_В(1)I. Определяют действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты U_0(1)I в i-м наблюдении:

U_0(1)i=

- 3 (5)

Допускается определить U_0(1)I методом симметричных составляющих, а также по приближенной формуле

U_0(1)I,п = 0,62 (U_нбф(1)i- U_нмф(1)i), (3)

где U_нбф(1)I, U_нмф(1)I – наибольшее и наименьшее действующие значения из трех действующих значений фазных напряжений основной частоты в i-м наблюдении, кВ.

Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности, %,

К_0Ui= , (6)

где U_0(1)I – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-м наблюдении; U_1(1)i - действующее значение междуфазного напряжения прямой последовательности основной частоты.

Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности К_0U вычисляют как усредненное значение N наблюдений К_0Ui на интервале времени 3 с:

К_0U= . (7)

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной и нулевой последователь­ностям равны соответственно 2,0 и 4,0 %. Нулевую последователь­ность наблюдают в четырехпроводных электрических сетях напря­жением 0,38 кВ.

Качество электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной и нулевой после­довательности в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности не превышает предельно допустимого значения, а значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности, соответствующее вероятности 95 % за установлен­ный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения.

При этом качество электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности считают соответствующим требованиям стандарта, если суммарная продолжи­тельность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5 % от установленного периода времени, т. е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения — 0 % от этого периода времени.