О влиянии схемы сети 110 кВ и выше и режимов работы низковольтных конденсаторных батарей потребителей на уровни высших гармоник напряжения на шинах низшего напряжения питающих центров




Page 1


background image







Page 2


background image

12

Ежеквартальный

 

спецвыпуск

 

 4 (23), 

декабрь

 2021

В

 

статье

 

показано

что

 

одной

 

из

 

причин

 

повышения

 

коэф

фициентов

 

n

ных

 

гармонических

 

составляющих

 

напряжения

 

(

K

U

(

n

)

свыше

 

допустимых

 

значений

 

может

 

являться

 

изме

нение

 

состава

 

находящихся

 

в

 

работе

 

конденсаторных

 

ба

тарей

 0,4 

кВ

эксплуатируемых

 

потребителями

причем

 

сте

пень

 

их

 

влияния

 

зависит

в

 

том

 

числе

и

 

от

 

схемы

 

питающей

 

сети

 110 

кВ

Выявлено

что

 

для

 

рассматриваемой

 

подстан

ции

 

при

 

определенных

 

сочетаниях

 

отключенных

 

элементов

 

сети

 110 

кВ

 

и

 

включенных

 

конденсаторных

 

батарей

 0,4 

кВ

 

могут

 

наступать

 

околорезонансные

 

режимы

в

 

связи

 

с

 

чем

 

электроустановки

 

потребителя

 

могут

 

быть

 

отключены

 

дей

ствием

 

технологических

 

защит

Обоснована

 

принципиальная

 

необходимость

 

организации

 

постоянного

 

мониторинга

 

каче

ства

 

электроэнергии

 

для

 

определения

 

режимов

 

работы

 

сети

при

 

которых

 

возможны

 

нарушения

 

требований

 

ГОСТ

 32144-

2013 

в

 

части

 

допустимых

 

уровней

 

K

U

(

n

)

а

 

также

 

определена

 

целесообразность

 

дальнейшего

 

исследования

 

частотных

 

ха

рактеристик

 

сети

 

расчетными

 

методами

.

О

 

влиянии

 

схемы

 

сети

 

110 

кВ

 

и

 

выше

 

и

 

режимов

 

работы

 

низковольтных

 

конденсаторных

 

батарей

 

потребителей

 

на

 

уровни

 

высших

 

гармоник

 

напряжения

 

на

 

шинах

 

низшего

 

напряжения

 

питающих

 

центров

Александр

 

ФЛЁРОВ

,

инженер

 

ведущий

 

Отдела

 

метрологии

 

и

 

контроля

 

качества

 

электрической

 

энергии

 

АО

 «

Россети

 

Тюмень

»

Валерий

 

СОЛОДОВНИКОВ

,

ведущий

 

эксперт

 

ООО

 «

ЭТС

Энерго

» 

Качество

 

электроэнергии







Page 3


background image

13

ВЛИЯНИЕ

 

НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ

 

НАПРЯЖЕНИЯ

 

НА

 

НАДЕЖНОСТЬ

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

ПРАКТИЧЕСКИЙ

 

СЛУЧАЙ

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ

 

НЕОБХОДИМОСТЬ

 

МОНИТОРИНГА

 

КАЧЕСТВА

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

 

ЭНЕРГИИ

По

 

результатам

 

проведения

 

плановых

 

периодических

 

из

мерений

 

показателей

 

качества

 

электрической

 

энергии

 

(

ПКЭ

на

 

шинах

 6 

кВ

 

одной

 

из

 

ПС

 110 

кВ

 

дочернего

 

обще

ства

 

ПАО

  «

Россети

», 

питающей

 

важного

 

потребителя

 

топливно

энергетического

 

комплекса

  (

рисунок

 1), 

фикси

ровался

 

высокий

но

 

не

 

превышающий

 

требования

 

ГОСТ

 

32144-2013 [1] 

уровень

 

гармонических

 

составляющих

 

на

пряжения

 

пятого

 

порядка

В

 2019 

году

 

от

 

потребителя

 

поступило

 

письмо

 

о

 

резком

 

ухудшении

 

качества

 

электрической

 

энергии

 (

КЭ

), 

в

 

частно

сти

об

 

увеличении

 

коэффициента

 

пятой

 

гармонической

 

со

ставляющей

 

напряжения

 (

K

U

(5)

до

 18% 

при

 

нормально

 

до

пустимом

 

значении

 

в

 4%, 

что

 

привело

 

к

 

отключению

 

блоков

 

питания

 

системы

 

автоматического

 

управления

 

по

 

защите

 

от

 

искажений

 

в

 

сети

В

 

целях

 

обеспечения

 

требуемых

 

ре

жимов

 

работы

 

оборудования

 

потребитель

 

вынужден

 

был

 

перейти

 

на

 

электроснабжение

 

от

 

собственных

 

источников

.

Анализ

 

информации

 

о

 

дате

 

и

 

времени

 

произошедшего

 

ин

цидента

сопоставление

 

режима

 

сети

 

и

 

перетоков

 

реактивной

 

мощности

 

со

 

стороны

 

потребителя

 

в

 

сторону

 

сетевой

 

органи

зации

а

 

также

 

анализ

 

графика

 

изменения

 

суммарного

 

коэф

фициента

 

гармонических

 

составляющих

 

напряжения

  

позво

лили

 

сделать

 

предположение

 

о

 

негативном

 

влиянии

 

режима

 

работы

 

конденсаторных

 

батарей

 (

КБ

) 0,4 

кВ

 

потребителя

 

на

 

уровень

 

гармоник

 

напряжения

 

в

 

схеме

 

с

 

отключением

 

одного

 

из

 

трансформаторов

 

и

 

отходящей

 

ВЛ

 110 

кВ

 

 3 

вследствие

 

возникновения

 

резонансных

 

явлений

 

на

 

частотах

 

высших

 

гармоник

Вместе

 

с

 

тем

 

параллельно

 

проводимый

 

потреби

телем

 

периодический

 

мониторинг

 

уровней

 

высших

 

гармоник

 

напряжения

 

не

 

позволил

 

выявить

 

указанную

 

закономерность

так

 

как

 

ремонтные

 

режимы

 

были

 

исключены

 

потребителем

 

из

 

рассмотрения

 

по

 

причине

 

их

 

незначительной

 

длительности

 

по

 

сравнению

 

с

 

нормальными

 

режимами

.

РЕЗОНАНСНЫЕ

 

ЯВЛЕНИЯ

 

В

 

СИСТЕМАХ

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ВЛИЯНИЕ

 

КОНДЕНСАТОРНЫХ

 

БАТАРЕЙ

 

НА

 

УСЛОВИЯ

 

ВОЗНИКНОВЕНИЯ

 

РЕЗОНАНСОВ

Явление

 

фазового

 

резонанса

 

в

 

электрической

 

цепи

соглас

но

 

фундаментальным

 

положениям

 

теоретических

 

основ

 

электротехники

 [2], 

заключается

 

в

 

сов

падении

 

по

 

фазе

 

тока

 

на

 

входе

 

в

 

пассив

ный

 

двухполюсник

содержащий

 

реак

тивные

 

элементы

и

 

напряжения

 

на

 

его

 

зажимах

Условием

 

фазового

 

резонанса

 

является

 

равенство

 

нулю

 

реактивной

 

составляющей

 

входного

 

сопротивления

 

двухполюсника

В

 

самом

 

простейшем

 

случае

 (

линейная

 

пассивная

 

цепь

 

с

 

ин

дуктивным

 

и

 

емкостным

 

элементом

 

на

 

рисунке

 2) 

резонанс

 

наступает

 

на

 

одной

 

частоте

причем

 

при

 

параллельном

 

со

единении

 

входное

 

сопротивление

 

двух

полюсника

 

стремится

 

к

 

бесконечности

 

(

резонанс

 

токов

), 

а

 

при

 

последователь

ном

 — 

равно

 

нулю

  (

резонанс

 

напряже

ний

). 

При

 

учете

 

потерь

 

в

 

реактивных

 

элементах

 

входное

 

сопротивление

 

ука

занных

 

значений

 

не

 

достигает

в

 

этом

 

случае

 

оно

 

является

 

чисто

 

активным

 

и

 

определяется

 

эквивалентным

 

актив

ным

 

сопротивлением

 

двухполюсника

Резонансные

 

режимы

с

 

точки

 

зрения

 

эксплуатационной

 

практики

чреваты

 

либо

 

токовой

 

перегрузкой

 

реактивных

 

элементов

  (

в

 

случае

 

резонанса

 

токов

), 

Рис

. 1. 

Схема

 

электроснабжения

 

потребителя

Сетевая 

организация 

Потребитель 

Граница 

эксплуатационной 

ответственности

Конденсаторные

 батареи

1С-6

Конденсаторные

 батареи

Нагрузка

2С-6

I

кз

 = 3250 А

СВ-6

В-6 1Т

В-6 2Т

Нагрузка

СШ-110

ВЛ-110 № 2

ВЛ-110 № 1

ВЛ-110 № 3

X

L

X

C

I

U

I

L

I

C

I

L

 

I

C

 >> 

I

X

L

X

C

U

L

 

U

C

 >> 

U

U

C

U

U

L

I

Рис

. 2. 

Простейшие

 

колебательные

 

контуры

а

схема

замещения

 

при

 

резонансе

 

токов

б

схема

 

замещения

при

 

резонансе

 

напряжений

а

)

б

)







Page 4


background image

14

Ежеквартальный

 

спецвыпуск

 

 4 (23), 

декабрь

 2021

либо

 

возникновением

 

перенапряжений

 

на

 

них

 (

при

 

резонан

се

 

напряжений

). 

Система

 

электроснабжения

 

представляет

 

собой

 

слож

ную

 

электрическую

 

цепь

  (

рисунок

 3), 

схема

 

замещения

 

которой

 

включает

 

большое

 

количество

 

реактивных

 

эле

ментов

 

как

 

сосредоточенных

  (

индуктивные

 

сопротивления

 

трансформаторного

 

оборудования

 

и

 

электрических

 

машин

емкостные

 

сопротивления

 

СКРМ

), 

так

 

и

 

распределенных

 

(

индуктивные

 

сопротивления

 

и

 

емкостные

 

проводимости

 

воздушных

 

и

 

кабельных

 

ЛЭП

). 

Для

 

таких

 

цепей

 

свойственно

 

наличие

 

нескольких

 

резонансных

 

частот

Кроме

 

того

экс

плуатация

 

систем

 

электро

снабжения

 

связана

 

с

 

пери

одическим

 

изменением

 

ее

 

топологии

 

вследствие

 

пла

новых

 

и

 

аварийных

 

отключе

ний

 

элементов

 

сети

Так

 

как

 

порядок

 

резонансных

 

частот

 

напрямую

 

зависит

 

от

 

схемы

 

соединения

 

элементов

 

сети

то

 

можно

 

констатировать

что

 

в

 

практике

 

эксплуатации

 

систем

 

электроснабжения

 

резонансы

 

могут

 

возникать

 

при

 

определенных

 

схемно

ре

жимных

 

условиях

причем

 

сразу

 

на

 

нескольких

 

частотах

 

[3–5].

Следует

 

отметить

что

 

при

 

подключении

 

к

 

узлу

 

нели

нейной

 

нагрузки

в

 

спектре

 

потребляемого

 

тока

 

которой

 

присутствуют

 

составляющие

 

с

 

частотой

соответствующей

 

резонансу

 

напряжений

уровень

 

коэффициента

 

соответ

ствующей

 

гармонической

 

составляющей

 

напряжения

 

будет

 

минимальным

однако

 

создаются

 

наиболее

 

благоприятные

 

усло

 

вия

 

для

 

распространения

 

гармоник

 

тока

 

в

 

питающую

 

сеть

Напротив

в

 

условиях

 

резонанса

 

токов

 

уровень

 

гар

L

(

n

)

C

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

U

вн

U

сн

L

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

Нагрузка 

потребителя СН

L

(

n

)

C

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

U

сн

L

(

n

)

C

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

C

(

n

)

Силовой 

трансформатор

ВЛ-110

ВЛ-110

ВЛ-110

БСК-110

L

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

Нагрузка 

потребителя СН

L

(

n

)

L

(

n

)

L

(

n

)

L

(

n

)

L

(

n

)

C

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

L

(

n

)

C

(

n

)

R

(

n

)

R

(

n

)

R

(

n

)

R

(

n

)

C

(

n

)

L

(

n

)

C

(

n

)

R              

(

n

)

C

(

n

)

Рис

. 3. 

Пример

 

схемы

 

замещения

системы

 

электроснабжения

Рис

. 4. 

Пример

 

графиков

 

АЧХ

 

и

 

ФЧХ

 

входного

 

сопротивле

ния

 

относительно

 

узла

 

сети

 

при

 

нормальной

 

схеме

 

и

 

при

 

отключении

 

ВЛ

 110 

кВ

5

10

15

20

25

40

35

30

5

10

15

20

25

40

35

30

13

16

17 19

13

16

17

19

1333

17

1666

1999

177

19

Резонансы 

напряжений

Z

, Ом

n

300

200

100

90

 

60

 

30

 

0

 

30

 

60

 

n

M

Z

, град

ЧХ при нормальной схеме сети

ЧХ при отключении ВЛ-110

R

1

 = 50 Ом

R

R

R

R

2

 = 100 Ом

Резонансы 

напряжений

Резонансы токов

Резонансы токов

Увеличение 

импеданса 

Качество

 

электроэнергии







Page 5


background image

15

моник

 

напряжения

 

будет

 

максимальным

но

 

передача

 

гар

моник

 

тока

 

в

 

питающую

 

сеть

 

затруднена

 

вследствие

 

боль

шого

 

значения

 

входного

 

сопротивления

В

 

литературе

 [4–6] 

отмечено

что

 

включение

 

конденса

торных

 

батарей

 

оказывает

 

значительное

 

влияние

 

на

 

изме

нение

 

амплитудно

частотных

 (

АЧХ

и

 

фазо

частотных

 

харак

теристик

 (

ФЧХ

входного

 

сопротивления

 

относительно

 

узлов

 

электрической

 

сети

Пример

 

графиков

 

АЧХ

 

и

 

ФЧХ

 

входного

 

сопротивления

 

относительно

 

узла

 

сети

 

при

 

нормальной

 

схе

ме

 

и

 

при

 

отключении

 

ВЛ

 110 

кВ

 

приведен

 

на

 

рисунке

 4. 

По

ложения

 

ГОСТ

 

Р

 56744-2015 [7] 

указывают

 

на

 

возможность

 

возникновения

 

резонанса

 

при

 

включении

 

КБ

 

между

 

самой

 

батареей

 

и

 

эквивалентным

 

сопротивлением

 

системы

 

элек

троснабжения

 

на

 

частоте

определяемой

 

соотношением

 (1):

 

_______

 

N

 = 

S

 / 

Q

, (1)

где

 

N

 — 

порядок

 

гармоники

на

 

частоте

 

которой

 

происхо

дит

 

резонанс

S

 — 

мощность

 

короткого

 

замыкания

 

в

 

точке

 

подключения

 

конденсатора

МВА

Q

 — 

номи

нальная

 

мощность

 

подключаемого

 

конденсато

ра

Мвар

.

Следует

 

отметить

что

строго

 

говоря

пред

ставление

 

сети

 

эквивалентным

 

сопротивлением

 

короткого

 

замыкания

 

является

 

некорректным

так

 

как

 

в

 

этом

 

случае

 

игнорируются

 

ее

 

реальные

 

ча

стотные

 

характеристики

 [4, 5]. 

В

 

то

 

же

 

время

 

для

 

сетей

 0,4 

кВ

выполненных

 

преимущественно

 

воздушными

 

линиями

 

или

 

кабельными

 

линия

ми

 

малой

 

протяженности

данный

 

подход

 

может

 

быть

 

использован

 

в

 

диапазоне

 

частот

 

до

 

первой

 

резонансной

 

частоты

так

 

как

 

реактивные

 

сопро

тивления

 

элементов

 

сети

 

носят

 

преимущественно

 

индуктивный

 

характер

.

На

 

рисунке

 5 

показаны

 

графики

 

АЧХ

 

входного

 

сопротивления

 

относительно

 

точки

 

подключения

 

КБ

 

для

 

описанных

 

выше

 

условий

Видно

что

 

при

 

подключении

 

КБ

 

возникает

 

характерный

 

максимум

 

АЧХ

соответ

ствующий

 

резонансу

 

токов

С

 

учетом

 

того

что

как

 

было

 

[

Z

], Ом

f

, Гц

Импеданс при 

отсутсвиии КБ

Импеданс при 

наличии КБ

Импеданс при 

наличии КБ 

дросселем

f

1

f

рт

f

рн

Спектр гармоник, имеющихся в сети

Рис

. 5. 

АЧХ

 

входного

 

сопротивления

 

относительно

 

точки

 

подключения

 

конденсаторной

 

батареи

 (

КБ

)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10:00 10:14 10:28 10:42 10:56 11:10 11:24 11:38 11:52 12:06 12:20 12:34 12:48 13:02 13:16 13:30 13:44 13:58 14:12 14:26 14:40 14:54 15:08 15:22 15:36 15:50 16:04 16:18 16:32 16:46 17:00 17:14 17:28 17:42 17:56 18:10 18:24 18:38 18:52 19:06 19:20 19:34 19:48 20:02 20:16 20:30 20:44 20:58 21:12 21:26 21:40 21:54

K

U

(5)

 — НДЗ

K

U

(7)

 — НДЗ 

K

U

(5)

 — факт  

K

U

(7)

 — факт  

K

U

(11)

 — факт  

K

U

(13)

 — факт 

Отключение 

ВЛ-110 № 3

От

кл

юч

ен

ие

 1

Т

Включение КБ 

Q~800 квар

Включение 1Т

Отключение 

КБ Q~700квар

3,9

7,0

4,1

8,2

7,4

Рис

. 6. 

Временные

 

зависи

мости

 

значений

 

коэффици

ентов

 5-

й

, 7-

й

, 11-

й

 

и

 13-

й

 

гармонических

 

составляющих

 

напряжения

 

на

 2 

секции

 

шин

 

кВ

 

двухтрансформаторной

 

ПС

 110/6 

кВ

 

при

 

проведении

 

переключений

 

в

 

питающей

 

сети

 

и

 

изменении

 

состава

 

включенных

 

конденсаторных

 

батарей

 (

КБ

) 0,4 

кВ

отмечено

при

 

резонансе

 

токов

 

могут

 

наблюдаться

 

сверхнор

мативные

 

уровни

 

высших

 

гармоник

 

напряжения

в

 

ГОСТ

 

Р

 

56744-2015 [7] 

рекомендовано

 

применение

 

антирезонансных

 

дросселей

включаемых

 

последовательно

 

с

 

КБ

С

 

учетом

 

рассмотренных

 

выше

 

теоретических

 

положе

ний

 

был

 

проведен

 

анализ

 

изменений

 

уровней

 

гармоник

 

тока

 

и

 

напряжения

 

в

 

различных

 

схемно

режимных

 

ситуациях

.

АНАЛИЗ

 

РЕЗУЛЬТАТОВ

 

ИЗМЕРЕНИЙ

 

УРОВНЕЙ

 

ВЫСШИХ

 

ГАРМОНИК

 

ТОКОВ

 

И

 

НАПРЯЖЕНИЙ

 

В

 

ТОЧКЕ

 

ПРИСОЕДИНЕНИЯ

 

ПОТРЕБИТЕЛЯ

 

В

 

РАЗЛИЧНЫХ

 

РЕЖИМАХ

 

РАБОТЫ

 

СИСТЕМЫ

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Измерения

 

режимных

 

параметров

 

и

 

ПКЭ

 

на

 

секциях

 

шин

 6 

кВ

 

были

 

произведены

 

посредством

 

стационарных

 

средств

 

измерения

 

ПКЭ

На

 

рисунке

 6 

представлены

 

временные

 

зависимости

 

коэффициентов

 

гармоник

 

на

пряжения

.







Page 6