ОСОБЕННОСТИ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ 0, 4 КВ

ОСОБЕННОСТИ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ 0, 4 КВ

Научная статья

Масенко А.В.^1, *, Сбитнева Н.И.², Скворцов В.А.³, Щебетеев В.А.⁴

^{1, 2, 3, 4} Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (almasenko[at]yandex.ru)

Аннотация

Рассмотрены вопросы дополнительных потерь электроэнергии в низковольтной сети 0,4 кВ на примере электроснабжения птицеводческого предприятия, вызванные протеканием реактивной энергии. Проведены экспериментальные исследования в сети 0,4 кВ птицеводческого предприятия, где отсутствует резко-переменный характер нагрузок, а несимметричность вызвана в основном протеканием тока в нулевом рабочем проводнике, что при активно-индуктивной нагрузке приводит к дополнительному потреблению реактивной мощности синусоидального симметричного режима из питающей сети.

Ключевые слова: потери электроэнергии, качество электроэнергии, компенсация реактивной мощности, электроснабжение.

FEATURES OF ELECTRICITY LOSSES IN RURAL ELECTRIC NETWORK 0, 4 KV

Research article

Masenko A.V.^1, *, Sbitneva N.I.², Skvortsov V.A.³, Shchebeteev V.A.⁴

^{1, 2, 3, 4} 3rd year student of undergraduate courses, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia

* Corresponding author (almasenko[at]yandex.ru)

Abstract

The issues of additional losses of electricity in the low-voltage network of 0.4 kV on the example of the power supply of the poultry enterprise, caused by the flow of reactive energy, were considered. Experimental studies were conducted in the 0.4 kV network of the poultry enterprise, where there were no dramatically variable loads, and asymmetry was mainly caused by the flow of current in the zero working conductor, which with active-inductive load led to additional consumption of the sinusoidal symmetrical reactive power from the mains.

Keywords: power losses, power quality, reactive power compensation, power supply.

Потери электроэнергии, как неизбежные, сопутствующие передаче по проводникам сети активной мощности, необходимой для полезной работы в нагрузках потребителей, так и дополнительные, связанные с передачей по проводникам сети реактивной мощности, являются специфическим для цепей переменного тока объектом периодического, с удвоенной  частотой действия источника энергетического обмена между источником и нагрузкой, естественно включаются в величину тарифа электроэнергии. Причём в первом приближении эти потери пропорциональны длине проводников тока между источником и нагрузкой. Отсюда понятно, насколько тяжело приходится именно электропотребителям в сельской местности, поскольку потери энергии в их удалённых от подстанций и широко распределённых по территории сетях оказываются в 2-3 раза выше, чем в городских сетях [1], [2], [3].

Отметим, что общепринятого стандартного определения понятия реактивной мощности нет, в отличие от активной мощности [4], [5], [6], [7], и поэтому под реактивной мощностью трёхфазной сети многие понимают не только реактивную мощность синусоидального, симметричного режима, величину векторно-ортогональную активной мощности, которая большинством исследователей [8], [9], [10] определяется также посредством ортогонализованных активного и реактивных (разных знаков: «+» – индуктивный,  «-» – емкостной) токов (величина напряжения при этом выступает в роли коэффициента-параметра) (рисунок 1), при этом полная мощность S₁ есть квадратура активной и реактивной мощностей, т. е. ; но также и реактивную мощность несинусоидального режима, в которую входят  и составляющие мгновенной мощности, вызванные несинусоидальностью, несимметричностью, нестационарностью нагрузки [6].

Рис. 1 – Векторная диаграмма представляющая на комплексной плоскости полный ток I и его ортогональные составляющие: активную – I_a, реактивную – I_р

 

При этом полная мощность нагрузки S₂ как вектор обычно представляется  уже тремя ортогональными составляющими: активной – P, реактивной – Q и мощностью искажений – N (рисунок 2). Поэтому квадратура полной мощности записывается по аналогии c предыдущим выражением: .

Проведённые экспериментальные исследования в сети 0,4 кВ птицеводческого предприятия показали, что, ввиду преобладания двигательной нагрузки, несинусоидальность тока нагрузок невысока, не более 5 % полного тока, а несинусоидальность напряжения находится на уровне величины 3 % номинального напряжения и вызвана в основном тяговыми нагрузками, генерирующими высшие гармоники в общую высоковольтную питающую сеть.

Рис. 2 – Трехмерное представление вектора полной мощности S

 

Нестационарность режимов данной сети также низка, период стационарности можно оценить величиной единиц минут, что позволяет не учитывать резко-переменного характера нагрузок. Несимметричность вызвана в основном током нейтрали, который при измерениях достигал  величины 20 % величины фазного тока сети, а коэффициент напряжения нулевой последовательности – 2 %, что является допустимым. Мощность искажения N, как составляющая мощности S₂, будет при этом иметь величину порядка 0,5 % относительно мощности S₁, и ею можно пренебречь при последующем рассмотрении.  Поэтому основную величину дополнительных потерь энергии в сети птицеводческого предприятия вызывает реактивная мощность синусоидального симметричного режима, вызванная реактивной составляющей индуктивного характера  i_р(t)  полного тока  i (t) (рисунок 1),  относительное значение которой, выражаемое коэффициентом реактивной мощности, изменяется в интервале 0,6…1,0 зимой и 0,85…1,35 летом.  Снизить эту реактивную мощность активно-индуктивных нагрузок до заданного значения 0,35 возможно присоединением к данной сети источника реактивной мощности противоположного знака (емкостного). Для большинства энергохозяйств промышленного производства в качестве таких источников подходят только батареи статических конденсаторов, однако их реактивная мощность не может регулироваться непрерывно, как это делается с помощью синхронных компенсаторов. Непрерывно регулировать ток батареи конденсаторов (БК) с помощью импульсно-фазового управления на основе тиристоров, как это легко на практике делается в электрических цепях с резистором или катушкой индуктивности, невозможно принципиально, так как напряжение на конденсаторе не может измениться скачкообразно. Но дискретно-ступенчатое регулирование реактивной мощности нагрузок сети 0,4 кВ,  путем изменения числа единиц конденсаторов в БК, подключаемых к сети (рисунок 3), является вполне приемлемым [11], поскольку потери энергии в проводниках от протекания реактивного тока характеризуются квадратичными формами активной и реактивной мощностей, что снижает преимущества в точности непрерывного регулирования.

Рис. 3 – Принципиальная однолинейная схема БК с дискретно-ступенчатым регулированием  реактивной мощности нагрузки

 

Конечно, непрерывно регулировать реактивную мощность БК, выдаваемую в сеть,  возможно балластным методом с помощью параллельно подключенной катушки индуктивности, питаемой тиристорами (рисунок 4).

 

Рис. 4 – Принципиальная однолинейная схема БК с непрерывное регулированием реактивной емкостной мощности нагрузки на базе тиристорно-реакторного регулятора тока (балластный метод)

Но применение балластного метода приводит к удорожанию  стоимости системы компенсации в 3 раза, поэтому так как большинство электроприемников сети 0,4 кВ сельской местности представляет собой симметричную, с малым изменением в течение суток, активно-реактивную нагрузку, то простое электромеханическое управление БК на основе магнитных контакторов допустимо по коммутационному ресурсу аппарата и по надежности работы в динамических режимах самих конденсаторов.

Также известны схемы с применением тиристорных (симисторных) блоков для дискретно-ступенчатой коммутации БК [11, 12] (рисунок 5). Преимущество, которое имеет при этом тиристорное управление, состоит в том, что конденсатор подключается к сети в тот момент, когда напряжение на «закрытом» тиристоре (как разомкнутом выключателе) перед его «открытием» близко к нулю, что позволяет предотвратить значительный импульс коммутационного тока.

Рис. 5 – Принципиальная однолинейная схема БК с дискретным регулированием реактивной мощности нагрузки тиристорными ключами

 

Выполнение данного условия коммутации требует более сложной системы управления полупроводниками, что приводит к  значительному увеличению стоимости системы компенсации и резко снижает ее надежность [13], [14].

Поэтому в  сельских сетях используется система компенсации двух типов: централизованная и групповая.

Централизованная система компенсации реактивной мощности (КРМ) строится на базе БК, устанавливаемой на потребительской подстанции 10/0,4 кВ и подключаемой к шинам низшего напряжения (рисунок 6). У такой схемы конденсаторы в батарее защищены от негативных воздействий и легко вводятся и выводятся из эксплуатации имеющимися на подстанции коммутационными аппаратами.

Рис. 6 – Принципиальная однолинейная схема системы КРМ централизованного вида

Однако имеется серьезный недостаток — такая батарея не «защищает» от реактивного тока линии, идущие  от  шин к нагрузкам, то есть, в этом случае БК только снижает реактивную нагрузку на силовой трансформатор. Поэтому такую систему нельзя рекомендовать для сельхозпроизводителей, а следует стремиться применять групповую систему КРМ (рисунок 7).

Рис. 7 – Принципиальная однолинейная схема системы КРМ группового типа

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Копылов Г. А. Снижение потерь в сетях 0,38 кВ / Г. А. Копылов // Механизация и электрификация с.х. 1985, №11. С.53-54.
2. Савиных В. В. Синтез алгоритма управления компенсатора тока нулевой последовательности / В. В. Савиных, В. В. Тропин // Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Новочеркасск): Известия высших учебных заведений. Электромеханика, № 3, 2012 – С. 60-63.
3. Королёв Ю. П. О надёжности электроснабжения сельских потребителей. По материалам заседания бюро Отделения механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии / Ю. П. Королёв // Техника в сельском хозяйстве. 2000, №6. С.33,34.
4. Винников А. В. Устройство компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя, как элемент его системы подсушки в технологической паузе / А. В. инников, Д. Е. Кучеренко, В. В. Тропин // Кибернетика энергетических систем: сборник материалов ХХХVII сессии семинара по тематике «Электроснабжение». / – Новочеркасск: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 2016. – С. 47 -49.
5. Демирчан К. С. Реактивная мощность на случай несинусоидальных функций. Ортомощность./ К. С. Демирчан // Изв.РАН. Энергетика.1992.№1.С.15-38.
6. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке / Р. Дрехслер. – М.: Энегоатомиздат,1985. 112с.
7. Тропин В. В. Анализ связи параметров сети c показателями качества электроэнергии / В. В. Тропин, А. В. Савенко, В. А. Перепечин // Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Новочеркасск): Известия высших учебных заведений. Электромеханика, № 5, 2005 – С. 16-18.
8. Савиных В. В. Автономный стенд для оценки необходимости компенсации реактивной мощности в сети 0,4 кв с нейтралью / В. В. Савиных, В. В. Тропин // Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Новочеркасск): Известия высших учебных заведений. Электромеханика, № 2, 2012 – С. 45-46.
9. Указания по проектированию установок компенсации реактивной мощности в электрических сетях общего назначения промышленных предприятий. – М.: ОАО «ВНИПИ Тяжпромэлектропроект», 2003
10. Лещинская Т. Б. Электроснабжение сельского хозяйства / Т. .Б Лещинская, И. В. Наумов. – М.: БИБКОМ, ТРАНСЛОГ, 2015. 656 с.
11. Кучеренко Д. Е. Комбинированное устройство компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя и его подсушки в технологической паузе, как элемент его системы подсушки в технологической паузе / Д. Е. Кучеренко, В. В. Тропин // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: Сборник статей по материалам 71-й научно-практической конференции преподавателей по итогам НИР за 2015 год./ – Краснодар: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», 2016. – С. 47-49.
12. Винников А. В. Анализ энергетических характеристик устройств плавного пуска асинхронных двигателей сельскохозяйственного назначения / А. В. Винников, А. В. Масенко, В. В. Тропин // Кибернетика энергетических систем: сборник материалов ХХХVII сессии семинара по тематике «Электроснабжение». / – Новочеркасск: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 2016. – С. 295-298.
13. Кучеренко Д. Е. Устройство компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя, как элемент его системы подсушки в технологической паузе / Д. Е. Кучеренко, В. В. Тропин // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: Сборник статей по материалам Х Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 120-летию И. С. Косенко. / – Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, 2017. – С. 560-561.
14. Савиных В. В. Особенности выбора коммутаторов для силовых конденсаторов / В. В. Савиных, В. В. Тропин // Известия ЮФУ. Технические науки, № 1 (126), 2012 – С. 243-245.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kopylov G. A. Snizheniye poter' v setyakh 0,38 kV [Reduction of Losses in 0.38 kV] / G. A. Kopylov. // Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya s.kh. [Mechanization and Electrification of agriculture]. 1985, No. 11. P.53-54. [In Russian]
2. Savinykh V. V. Sintez algoritma upravleniya kompensatora toka nulevoy posledovatel'nosti [Synthesis of Control Algorithm of a Zero-sequence Current Compensator] / V. V. Savinykh, V. V. Tropin // Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet (NPI) imeni M.I. Platova (Novocherkassk): Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov (Novocherkassk): News of Higher Educational Institutions. Electromechanics] No. 3, 2012 – P. 60-63. [In Russian]
3. Korolev Yu. P. O nadozhnosti elektrosnabzheniya sel'skikh potrebiteley. Po materialam zasedaniya byuro Otdeleniya mekhanizatsii, elektrifikatsii i avtomatizatsii Rossel'khozakademii [On Reliability of Power Supply to Rural Consumers. According to Materials of Meeting of the Bureau of the Department of Mechanization, Electrification and Automation of the Russian Agricultural Academy / O. P. Korolev] // Tekhnika v sel'skom khozyaystve [Technique in Agriculture]. 2000, No. 6. P.33,34. [In Russian]
4. Vinnikov A. V. Ustroystvo kompensatsii reaktivnoy moshchnosti asinkhronnogo dvigatelya, kak element yego sistemy podsushki v tekhnologicheskoy pauze [Device for Reactive Power Compensation of Asynchronous Engine as Element of Its Drying System in Technological Pause] / A. V. Innikov, D. E. Kucherenko, V. V. Tropin // Kibernetika energeticheskikh sistem: sbornik materialov KHKHKHVII sessii seminara po tematike «Elektrosnabzheniye». [Cybernetics of energy systems: collection of materials on the XXXVII session of the Electric Power Supply Workshop] / – Novocherkassk: South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, 2016. – P. 47-49. [In Russian]
5. Demirchan K. S. Reaktivnaya moshchnost' na sluchay nesinusoidal'nykh funktsiy. Ortomoshchnost' [Reactive Power in Case of Non-sinusoidal Functions. Ortho-power] / K. S. Demirchan // Izv.RAN. Energy 992. No.1. P.15-38. [In Russian]
6. Drekhsler R. Izmereniye i otsenka kachestva elektroenergii pri nesimmetrichnoy i nelineynoy nagruzke [Measurement and Evaluation of Quality of Electricity with Asymmetric and Nonlinear Load] / R. Drechsler. – M.: Enegoatomizdat, 1985. 112 p. [In Russian]
7. Tropin V. V. Analiz svyazi parametrov seti c pokazatelyami kachestva elektroenergii [Connection Analysis of Network Parameters with Electric Power Quality Indicators] / V. V. Tropin, A. V. Savenko, V. A. Perepechin // Rossiyskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet (NPI) imeni M.I. Platova (Novocherkassk): Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov (Novocherkassk): News of higher educational institutions. Electromechanics], No. 5, 2005 – P. 16-18. [In Russian
8. Savinykh V. V. Avtonomnyy stend dlya otsenki neobkhodimosti kompensatsii reaktivnoy moshchnosti v seti 0,4 kv s neytral'yu [Autonomous Stand for Assessing Need for Compensation of Reactive Power in 0.4 kV Network with Neutral] / V. V. Savinykh, V. V. Tropin // Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet (NPI) imeni M. I. Platova (Novocherkassk): Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov (Novocherkassk): News of higher educational institutions. Electromechanics], No. 2, 2012 – P. 45-46. [In Russian]
9. Ukazaniya po proyektirovaniyu ustanovok kompensatsii reaktivnoy moshchnosti v elektricheskikh setyakh obshchego naznacheniya promyshlennykh predpriyatiy [Guidelines for Design of Reactive Power Compensation Installations in Electrical Networks of General-purpose Industrial Enterprises] – M.: OJSC "VNIPI Tyazhpromelektroproekt", 2003 [In Russian]
10. Leschinskaya T. B. Elektrosnabzheniye sel'skogo khozyaystva [Power Supply of Agriculture] / T. B Leschinskaya, I. V. Naumov. – M.: BIBKOM, TRANSLOG, 2015. 656 p. [In Russian]
11. Kucherenko D. E. Kombinirovannoye ustroystvo kompensatsii reaktivnoy moshchnosti asinkhronnogo dvigatelya i yego podsushki v tekhnologicheskoy pauze, kak element yego sistemy podsushki v tekhnologicheskoy pauze [Combined Device for Reactive Power Compensation of Induction Motor and Its Drying in Technological Pause, as Element of Its Drying System in Technological Pause] / D. E. Kucherenko, V. V. Tropin // Nauchnoye obespecheniye agropromyshlennogo kompleksa: Sbornik statey po materialam 71-y nauchno-prakticheskoy konferentsii prepodavateley po itogam NIR za 2015 god [Scientific Support of Agro-industrial Complex: Collected Articles on Materials of the 71st Scientific-Practical Conference of Teachers on Basis of Research in 2015] / – Krasnodar: Kuban State Agrarian University, 2016. – P. 47-49. [In Russian]
12. Vinnikov A. V. Analiz energeticheskikh kharakteristik ustroystv plavnogo puska asinkhronnykh dvigateley sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya [Analysis of Energy Characteristics of Devices for Smooth Start-up of Asynchronous Engines for Agricultural Purposes] / A. V. Vinnikov, A. V. Masenko, V. V. Tropin // Kibernetika energeticheskikh sistem: sbornik materialov KHKHKHVII sessii seminara po tematike «Elektrosnabzheniye» [Cybernetics of Energy Systems: Collection of Materials of the XXXVII Session of the Seminar on "Power supply"] / – Novocherkassk: South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, 2016. – P. 295-298. [In Russian]
13. Kucherenko D. E. Ustroystvo kompensatsii reaktivnoy moshchnosti asinkhronnogo dvigatelya, kak element yego sistemy podsushki v tekhnologicheskoy pauze [Device for Compensation of Reactive Power of Induction Motor as Element of Its Drying System in Technological Pause] / D. E. Kucherenko, V. V. Tropin // Nauchnoye obespecheniye agropromyshlennogo kompleksa: Sbornik statey po materialam KH Vserossiyskoy konferentsii molodykh uchenykh, posvyashchennoy 120-letiyu I. S. Kosenko. [Scientific Support of the Agro-industrial Complex: Collection of Articles on Materials of the 10th All-Russian Conference of Young Scientists Dedicated to the 120th anniversary of I. S. Kosenko] / – Krasnodar: Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, 2017. – P. 560-561. [In Russian]
14. Savinykh V. V. Osobennosti vybora kommutatorov dlya silovykh kondensatorov [Features of Choice of Switchboards for Power Capacitors] / V. V. Savinykh, V.V. Tropin // Izvestiya YUFU. Tekhnicheskiye nauki, [Izvestiya SFU. Engineering science], No. 1 (126), 2012 – P. 24 [In Russian]