Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений – несимметрия трёхфазной системы напряжений.

Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 54149-2010 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются:

- дуговые сталеплавильные печи,

-тяговые подстанции переменного тока,

-электросварочные машины,

-однофазные электротермические установки,

-несимметрия сопротивления сети,

-несимметрия нагрузки,

-преобразовательные устрановки,

-другие одно­фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Поскольку основной причиной несимметрии напряжения является различие нагрузки по фазам (несимметричная нагрузка), то это явление наиболее характерно для низковольтных электрических сетей 0,4 кВ. Однако несимметричные нагрузки достаточно распространены и в высоковольтных электрических сетях (в первую очередь тяговые нагрузки). В большей степени это относится к контактным сетям переменного тока на железнодорожном транспорте. Данные многочисленных экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что в таких сетях величина несимметрии напряженийможет достигать 10% и более.

Так, суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85 – 90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K _{0 U} ) одного 9-ти этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Для характеристики несимметрии напряжений служат коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям.

Коэффициент несимметрии по обратной последовательности дается для междуфазных напряжений, геометрическая сумма которых всегда равна нулю. Он равен отношению, %,

, %, (9.3)

где U ₂, U ₁- составляющие обратной и прямой последовательностей при разложении по методу симметричных составляющих системы междуфазных напряжений.

Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности определяется в виде

, %. (9.4)

Он равен процентному отношению составляющих нулевой и прямой последовательностей при разложении по методу симметричных составляющих системы фазных напряжений. Причем известно, что соотношение U ₁и U _{1 Ф} для связанных систем фазных и междуфазных напряжений имеет простой вид:

U ₁ = U _{1 Ф} . (9.5)

Нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны соответственно 2 и 4 %.

Нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента несимметрии по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 380 В равны соответственно 2 и 4 %.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

- Возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.

- Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

- В электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K _{2 U} = 2 – 4 %, срок службы электрической машины снижается на 10 –15 %, а, если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому ГОСТ 54149-2010 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K _{2 U} ) и нулевой (K _{0 U} ) последовательностям, – нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:

- значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности (K _{2 U} )и несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K _{0 U} ) в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;

- значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности (K _{2 U} )и несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K _{0 U} ) в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Напряжения обратной последовательности создают вращающий момент двойной частоты, направленный в противоположном направлении моменту вращения ротора электрической машины, т.е. создают тормозной электрический момент.

При несимметрии напряжений в синхронных машинах, наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора, могут начаться опасные вибрации, вызванные вращающими моментами, пульсирующими с двойной частотой. Эти моменты появляются как следствие взаимодействия магнитных потоков, созданных токами обратной последовательности в цепях ротора и статора, а также потоков, обусловленных токами прямой последовательности. При значительной несимметрии напряжений вибрация может оказаться опасной и вызывать разрушения сварных соединений.

При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных электроприемников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивления заземляющих устройств. Это недопустимо с точки зрения работы релейной защиты из-за усиления их воздействия на низкочастотные установки связи, устройства железнодорожных блокировок.

Несимметричные режимы влияют на производительность руднотермических печей. Увеличение напряжения обратной последовательности на 20% приводит к снижению производительности руднотермических печей на 30—40%, а увеличение К2U до 40% приводит к значительному увеличению расхода энергии. К снижению несимметрии напряжений приводит как уменьшение сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей, так и снижение значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 54149-2010 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

- Равномерное распределение нагрузки по фазам.

- Применение симметрирующих устройств. В качестве таких устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис 9.1 а) или специальные схемы симметрирования однофазных нагрузок (рис 9.1 б).

- Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения (рис. 9.2).

Рис.9.1 Симметрирующие устройства с КБ(а) и специальная схема (б).