Αιτίες ασύμμετρων τρόπων λειτουργίας σε ηλεκτρικά δίκτυα

Ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα τάσης χαρακτηρίζεται από τάσεις ταυτόσημες σε μέγεθος και φάση και στις τρεις φάσεις. Σε ασύμμετρους τρόπους λειτουργίας, οι τάσεις στις διάφορες φάσεις δεν είναι ίσες.

Οι ασύμμετροι τρόποι λειτουργίας στα ηλεκτρικά δίκτυα προκύπτουν για τους ακόλουθους λόγους:

1) ανομοιόμορφα φορτία σε διαφορετικές φάσεις,

2) ατελής λειτουργία γραμμών ή άλλων στοιχείων στο δίκτυο,

3) διαφορετικές παράμετροι γραμμής σε διαφορετικές φάσεις.

Τις περισσότερες φορές, η ανισορροπία τάσης εμφανίζεται λόγω της ανισότητας των φορτίων φάσης. Δεδομένου ότι η κύρια αιτία της ανισορροπίας τάσης είναι η διαφορά φάσης (μη ισορροπημένο φορτίο), αυτό το φαινόμενο είναι πιο χαρακτηριστικό για ηλεκτρικά δίκτυα χαμηλής τάσης 0,4 kV.

Σε αστικά και αγροτικά δίκτυα 0,4 kV, η ασυμμετρία τάσης προκαλείται κυρίως από τη σύνδεση μονοφασικού φωτισμού και οικιακών ηλεκτρικών καταναλωτών χαμηλής ισχύος. Ο αριθμός τέτοιων μονοφασικών καταναλωτών ρεύματος είναι μεγάλος και πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι σε φάσεις για να μειωθεί η ανισορροπία.

Στα δίκτυα υψηλής τάσης, η ασυμμετρία προκαλείται, κατά κανόνα, από την παρουσία ισχυρών μονοφασικών ηλεκτρικών δεκτών και σε ορισμένες περιπτώσεις τριφασικών ηλεκτρικών δεκτών με ανομοιόμορφη κατανάλωση φάσης. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν καμίνους τόξου για την παραγωγή χάλυβα. Οι κύριες πηγές ασυμμετρίας σε βιομηχανικά δίκτυα 0,38-10 kV είναι μονοφασικές θερμικές εγκαταστάσεις, θερμικοί κλίβανοι μεταλλευμάτων, επαγωγικοί κλίβανοι τήξης, κλίβανοι αντίστασης και διάφορες εγκαταστάσεις θέρμανσης. Επιπλέον, οι ασύμμετροι ηλεκτρικοί δέκτες είναι μηχανές συγκόλλησης διαφορετικής ισχύος. Οι υποσταθμοί έλξης ηλεκτρικών σιδηροδρομικών μεταφορών εναλλασσόμενου ρεύματος αποτελούν ισχυρή πηγή ασυμμετρίας, καθώς οι ηλεκτρικές ατμομηχανές είναι μονοφασικοί ηλεκτρικοί δέκτες. Η ισχύς των μεμονωμένων μονοφασικών ηλεκτρικών δεκτών φτάνει αυτή τη στιγμή αρκετά μεγαβάτ.

Υπάρχουν δύο τύποι ασυμμετρίας: συστηματική και πιθανολογική ή τυχαία. Η συστηματική ασυμμετρία προκαλείται από μη ομοιόμορφη σταθερή υπερφόρτωση μιας από τις φάσεις, η πιθανολογική ασυμμετρία αντιστοιχεί σε μη σταθερά φορτία στα οποία διαφορετικές φάσεις υπερφορτώνονται σε διαφορετικούς χρόνους ανάλογα με τυχαίους παράγοντες (περιοδική ασυμμετρία).

Η ατελής λειτουργία των στοιχείων δικτύου προκαλείται από βραχυπρόθεσμη αποσύνδεση μιας ή δύο φάσεων κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώματος ή μεγαλύτερης αποσύνδεσης κατά τη διάρκεια σταδιακών επισκευών. Μια μεμονωμένη γραμμή μπορεί να είναι εξοπλισμένη με συσκευές ελέγχου φάσης που αποσυνδέουν τη φάση της γραμμής με σφάλμα σε περιπτώσεις όπου η λειτουργία αυτόματου επανακλεισίματος αποτυγχάνει λόγω παρατεταμένου βραχυκυκλώματος.

Η πλειοψηφία των σταθερών βραχυκυκλωμάτων είναι μονοφασικά.Στην περίπτωση αυτή, η διακοπή της κατεστραμμένης φάσης οδηγεί στη διατήρηση των άλλων δύο φάσεων της γραμμής σε λειτουργία.

Σε δίκτυο με γειωμένο ουδέτερο παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε μια γραμμή με ημιτελή φάση μπορεί να είναι αποδεκτή και σας επιτρέπει να εγκαταλείψετε την κατασκευή ενός δεύτερου κυκλώματος στη γραμμή. Οι ημιφασικές λειτουργίες μπορούν επίσης να προκύψουν με απενεργοποιημένους μετασχηματιστές.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, για μια ομάδα που αποτελείται από μονοφασικούς μετασχηματιστές, σε περίπτωση έκτακτης διακοπής λειτουργίας μιας φάσης, μπορεί να είναι αποδεκτή η παροχή δύο φάσεων. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν απαιτείται η εγκατάσταση μιας εφεδρικής φάσης, ειδικά εάν υπάρχουν δύο ομάδες μονοφασικών μετασχηματιστών του υποσταθμού.

Η ανισότητα των παραμέτρων των γραμμών φάσης εμφανίζεται, για παράδειγμα, απουσία μεταφοράς κατά μήκος των γραμμών ή των εκτεταμένων κύκλων τους. Τα στηρίγματα Transpose είναι αναξιόπιστα και αποτελούν πηγή σφαλμάτων. Η μείωση του αριθμού των στηριγμάτων μεταφοράς κατά μήκος της γραμμής μειώνει τη ζημιά του και αυξάνει την αξιοπιστία. Σε αυτή την περίπτωση, η ευθυγράμμιση των παραμέτρων της γραμμικής φάσης επιδεινώνεται, για την οποία συνήθως εφαρμόζεται η μεταφορά.

Επίδραση της ανισορροπίας τάσης και ρεύματος

Η εμφάνιση τάσεων και ρευμάτων της αντίστροφης και μηδενικής ακολουθίας U2, U0, I2, I0 οδηγεί σε πρόσθετες απώλειες ισχύος και ενέργειας, καθώς και απώλειες τάσης στο δίκτυο, γεγονός που επιδεινώνει τους τρόπους λειτουργίας και τους τεχνικούς και οικονομικούς δείκτες λειτουργίας του. Τα ρεύματα των αντίστροφων και μηδενικών ακολουθιών I2, I0 αυξάνουν τις απώλειες στους διαμήκους κλάδους του δικτύου και τις τάσεις και τα ρεύματα των ίδιων ακολουθιών - στους εγκάρσιους κλάδους.

Η υπέρθεση των U2 και U0 οδηγεί σε διαφορετικές πρόσθετες αποκλίσεις τάσης σε διαφορετικές φάσεις. Ως αποτέλεσμα, οι τάσεις μπορεί να είναι εκτός εύρους.Η υπέρθεση των I2 και I0 οδηγεί σε αύξηση των συνολικών ρευμάτων σε επιμέρους φάσεις των στοιχείων του δικτύου. Ταυτόχρονα, οι συνθήκες θέρμανσής τους επιδεινώνονται και η παραγωγικότητα μειώνεται.

Η ανισορροπία επηρεάζει αρνητικά τα λειτουργικά και τεχνικοοικονομικά χαρακτηριστικά των περιστρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών. Το ρεύμα θετικής ακολουθίας στον στάτορα δημιουργεί μαγνητικό πεδίοπεριστροφή με σύγχρονη συχνότητα προς την κατεύθυνση περιστροφής του ρότορα. Τα ρεύματα αρνητικής ακολουθίας στον στάτορα δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο που περιστρέφεται σε σχέση με τον ρότορα με διπλή σύγχρονη συχνότητα στην αντίθετη κατεύθυνση της περιστροφής. Λόγω αυτών των ρευμάτων δύο συχνοτήτων, εμφανίζεται στο ηλεκτρικό μηχάνημα ηλεκτρομαγνητική ροπή πέδησης και πρόσθετη θέρμανση, κυρίως του ρότορα, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της διάρκειας ζωής της μόνωσης.

Στους ασύγχρονους κινητήρες συμβαίνουν πρόσθετες απώλειες στον στάτορα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, στο σχεδιασμό, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ονομαστική ισχύς των ηλεκτροκινητήρων, εάν δεν ληφθούν ειδικά μέτρα για την εξισορρόπηση της τάσης.

Στα σύγχρονα μηχανήματα, εκτός από πρόσθετες απώλειες και θέρμανση του στάτορα και του ρότορα, μπορούν να ξεκινήσουν και επικίνδυνοι κραδασμοί. Λόγω ανισορροπίας, η διάρκεια ζωής της μόνωσης του μετασχηματιστή μειώνεται, οι σύγχρονοι κινητήρες και οι συστοιχίες πυκνωτών μειώνουν την παραγωγή άεργου ισχύος.

Η ανισορροπία τάσης στο κύκλωμα τροφοδοσίας του φορτίου φωτισμού οδηγεί στο γεγονός ότι η φωτεινή ροή των λαμπτήρων μιας φάσης (φάσεις) μειώνεται και της άλλης φάσης αυξάνεται και η διάρκεια ζωής των λαμπτήρων μειώνεται. Η ανισορροπία επηρεάζει τους μονοφασικούς και διφασικούς ηλεκτρικούς δέκτες ως απόκλιση τάσης.

Οι συνήθεις βλάβες που προκαλούνται από ασυμμετρία στα βιομηχανικά δίκτυα περιλαμβάνουν το κόστος πρόσθετων απωλειών ισχύος, την αύξηση των μειώσεων ανακαίνισης από το κόστος κεφαλαίου, τις τεχνολογικές ζημιές, τις ζημιές που προκαλούνται από τη μείωση της φωτεινής ροής των λαμπτήρων που είναι εγκατεστημένοι σε φάσεις με μειωμένη τάση και τη μείωση της διάρκεια ζωής λαμπτήρων που είναι εγκατεστημένοι σε φάσεις με αυξημένη τάση, αστοχία λόγω μείωσης της άεργου ισχύος που παράγεται από συστοιχίες πυκνωτών και σύγχρονους κινητήρες.

Η ανισορροπία τάσης χαρακτηρίζεται από τον αρνητικό συντελεστή ακολουθίας των τάσεων και τον μηδενικό λόγο των τάσεων, των οποίων οι κανονικές και μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές είναι 2 και 4%.

Η εξισορρόπηση των τάσεων δικτύου καταλήγει σε αρνητική σειρά ρεύματος και αντιστάθμισης τάσης.

Με μια σταθερή καμπύλη φορτίου, μπορεί να επιτευχθεί μείωση της ανισορροπίας της τάσης του συστήματος στο δίκτυο με την εξίσωση των φορτίων φάσης με εναλλαγή μέρους των φορτίων από μια υπερφορτωμένη φάση σε μια φάση χωρίς φορτίο.

Η ορθολογική ανακατανομή των φορτίων δεν επιτρέπει πάντα τη μείωση του συντελεστή ανισορροπίας τάσης σε αποδεκτή τιμή (για παράδειγμα, όταν μέρος ισχυρών μονοφασικών ηλεκτρικών δεκτών δεν λειτουργεί συνεχώς σύμφωνα με την τεχνολογία, καθώς και κατά τη διάρκεια προληπτικών και μεγάλων επισκευών). Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι απαραίτητη η χρήση ειδικών μπαλονιών.

Είναι γνωστός ένας μεγάλος αριθμός κυκλωμάτων balun, μερικά από αυτά ελέγχονται ανάλογα με τη φύση της καμπύλης φορτίου.

Για την εξισορρόπηση μονοφασικών φορτίων, ένα κύκλωμα που αποτελείται από αυτεπαγωγή και χωρητικότητα… Το φορτίο και η χωρητικότητα που συνδέονται παράλληλα με αυτό συνδέονται με την τάση γραμμής. Οι άλλες δύο τάσεις γραμμής περιλαμβάνουν μια αυτεπαγωγή και μια άλλη χωρητικότητα.

Για την εξισορρόπηση μη ισορροπημένων φορτίων δύο και τριών φάσεων, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα άνισης χωρητικότητας συστοιχιών πυκνωτών συνδεδεμένων σε ένα δέλτα. Μερικές φορές τα balun χρησιμοποιούνται με ειδικούς μετασχηματιστές και αυτομετασχηματιστές.

Δεδομένου ότι τα balun περιέχουν συστοιχίες πυκνωτών, συνιστάται η χρήση κυκλωμάτων όπου η λειτουργία είναι και ισορροπημένη και παράγεται Q για να αντισταθμιστεί. Συσκευές για ταυτόχρονη εξισορρόπηση λειτουργίας και αντιστάθμιση Q βρίσκονται υπό ανάπτυξη.

Η μείωση της ανισορροπίας σε δίκτυα πόλεων τεσσάρων καλωδίων 0,38 kV μπορεί να πραγματοποιηθεί με μείωση του ρεύματος μηδενικής ακολουθίας I0 και μείωση της αντίστασης μηδενικής ακολουθίας Z0 στα στοιχεία δικτύου.

Η μείωση του ρεύματος μηδενικής ακολουθίας I0 επιτυγχάνεται κυρίως με ανακατανομή των φορτίων. Η εξισορρόπηση φορτίου επιτυγχάνεται με τη χρήση δικτύων στα οποία όλοι ή μέρος των μετασχηματιστών λειτουργούν παράλληλα στην πλευρά της χαμηλής τάσης. Η μείωση της αντίστασης μηδενικής ακολουθίας Z0 μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί για εναέριες γραμμές 0,38 kV, οι οποίες συνήθως κατασκευάζονται σε περιοχές με χαμηλή πυκνότητα φορτίου. Η δυνατότητα μείωσης του Z0 για καλωδιακές γραμμές, δηλαδή αύξησης της διατομής του ουδέτερου αγωγού, πρέπει να αιτιολογείται ειδικά με κατάλληλους τεχνικούς και οικονομικούς υπολογισμούς.

Το σχήμα σύνδεσης των περιελίξεων του μετασχηματιστή διανομής έχει σημαντική επίδραση στην ανισορροπία τάσης στο δίκτυο.6-10 / 0.4 kV.Οι περισσότεροι μετασχηματιστές διανομής που είναι εγκατεστημένοι στα δίκτυα είναι αστέρι αστέρι με μηδέν (Y / Yo). Τέτοιοι μετασχηματιστές διανομής είναι φθηνότεροι, αλλά έχουν υψηλή αντίσταση μηδενικής ακολουθίας Z0.

Για να μειώσετε την ανισορροπία τάσης που προκαλείται από τους μετασχηματιστές διανομής, συνιστάται η χρήση σχημάτων σύνδεσης αστέρα-τριγώνου με μηδενικό (D / Yo) ή αστέρι-ζιγκ-ζαγκ (Y / Z). Το πιο ευνοϊκό για τη μείωση της ασυμμετρίας είναι η χρήση του σχήματος U / Z. Οι μετασχηματιστές διανομής με αυτή τη σύνδεση είναι πιο ακριβοί και απαιτούν πολύ εργατικό δυναμικό για την κατασκευή τους. Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιούνται με μεγάλη ασυμμετρία λόγω της ασυμμετρίας των φορτίων και της αντίστασης μηδενικής ακολουθίας Z0 των γραμμών.