305
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Способ
минимизации
несимметрии
токов
и
напряжений
в
распределительных
сетях
0,4
кВ
и
устройство
для
его
реализации
Савельев
А
.
А
.,
филиал
ПАО
«
МРСК
Центра
и
Приволжья
» — «
Мариэнерго
»
к
.
т
.
н
.
Орлов
А
.
И
.,
ФГБОУ
ВО
«
Марийский
государственный
университет
»
Аннотация
В
данной
работе
показана
актуальность
проблемы
несимметрии
токов
и
напряжения
в
трехфазных
электрических
сетях
,
а
также
предложено
решение
обозначенной
про
-
блемы
.
Рассмотрены
технические
особенности
устройства
выравнивания
нагрузки
,
реализующего
предлагаемое
решение
проблемы
несимметрии
.
Приведены
резуль
-
таты
расчета
стоимости
первого
образца
устройства
,
рассчитанного
на
нагрузку
130
кВА
.
Рассмотрен
возможный
эффект
от
внедрения
в
распределительных
элек
-
трических
сетях
предлагаемого
в
статье
устройства
и
перспективы
его
дальнейшей
модернизации
.
Ключевые
слова
:
несимметрия
токов
и
напряжений
,
устройство
выравнивания
нагрузки
,
симметри
-
рование
,
силовой
ключ
,
модуль
коммутации
Введение
Распределительные
электрические
сети
0,4
кВ
работают
в
несимметричном
режиме
.
Техно
-
логические
потери
электроэнергии
в
сельских
распределительных
сетях
0,4
кВ
выросли
по
-
чти
в
3
раза
за
последнее
десятилетие
и
достигают
30%
от
общей
величины
потерь
в
сетях
0,4
кВ
[1].
Главной
причиной
этого
является
несимметрия
присоединенной
нагрузки
:
основная
доля
потребителей
в
этих
сетях
—
однофазные
электроприемники
,
их
количество
и
режимы
работы
постоянно
меняются
.
Также
несимметричные
режимы
работы
сетей
0,4
кВ
встречают
-
ся
и
в
городских
распределительных
сетях
[2].
Такой
характер
потребления
электроэнергии
приводит
к
ухудшению
ее
качества
.
Напряже
-
ние
обратной
последовательности
,
появляющееся
в
несимметричной
трехфазной
сети
,
при
-
водит
к
потерям
электрической
энергии
и
крайне
негативно
влияет
на
работу
как
однофазных
,
306
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
так
и
трехфазных
электроприемников
.
В
результате
падений
напряжения
на
полных
сопро
-
тивлениях
линии
электропередачи
снижается
напряжение
в
удаленных
от
источника
точках
присоединения
потребителей
.
Отклонения
напряжения
в
часы
максимума
нагрузок
часто
превышает
предельно
допустимое
значение
+/- 10% [3].
Для
однофазных
потребителей
не
-
симметрия
приводит
к
существенному
сокращения
срока
службы
,
для
трехфазных
устройств
электропривода
,
помимо
этого
, —
к
снижению
мощности
и
КПД
,
повышенному
тепловыделе
-
нию
.
Следовательно
,
увеличение
несимметрии
токов
и
напряжений
в
распределительных
се
-
тях
0,4
кВ
приводит
к
существенным
экономическим
потерям
.
Поэтому
проблема
несимметрии
напряжения
и
токов
является
актуальной
и
требует
решения
.
Методы
и
средства
симметрирования
нагрузки
электрических
сетей
Проблеме
несимметрии
напряжения
,
обоснованию
ее
актуальности
с
точки
зрения
дополни
-
тельных
потерь
в
элементах
системы
электроснабжения
посвящено
множество
работ
.
Так
,
в
работе
[4]
авторы
отмечают
актуальность
расчета
несимметричных
режимов
в
системах
электроснабжения
и
указывают
,
что
среди
суммарных
дополнительных
потерь
наибольшее
значение
имеют
потери
от
токов
нулевой
последовательности
.
Вохидов
А
.
Д
.
и
Немцев
Г
.
А
.
в
работе
[5]
предлагают
простое
уравнение
,
определяющее
дополнительные
потери
от
несим
-
метрии
в
распределительной
сети
0,4
кВ
в
зависимости
от
величины
коэффициента
несимме
-
трии
токов
по
нулевой
последовательности
,
а
также
методику
и
алгоритм
расчета
этих
потерь
.
Работа
Курилина
С
.
П
. [6]
посвящена
энергетическим
режимам
отдельных
сельскохозяйствен
-
ных
установок
при
несимметрии
напряжения
.
В
качестве
основного
средства
обеспечения
нормативных
отклонений
напряжения
авторы
называют
использование
трансформаторов
35–110/10
кВ
с
автоматическим
регулированием
напряжения
под
нагрузкой
,
в
качестве
допол
-
нительных
—
установку
конденсаторов
поперечного
включения
,
увеличение
сечений
прово
-
дов
ЛЭП
,
установку
регулировочных
автотрансформаторов
на
линиях
10
кВ
.
Симметрирование
электрической
сети
на
этапе
проектирования
не
позволяет
в
полной
мере
избавиться
от
обозначенной
проблемы
по
причине
развития
сети
с
течением
времени
и
вероятностного
характера
изменения
фазных
нагрузок
.
Современные
технические
решения
,
направленные
на
устранение
проблемы
несимметрии
электрических
сетей
,
по
принципу
работы
и
используемым
техническим
средствам
можно
разде
-
лить
на
3
группы
.
К
первой
группе
относятся
статические
устройства
,
бесступенчато
перераспреде
-
ляющие
мгновенную
мощность
между
фазами
электрической
сети
.
Принцип
работы
и
технические
возможности
такого
оборудования
,
включая
активные
фильтры
гармоник
,
статические
компенсато
-
ры
реактивной
мощности
и
другие
устройства
подробно
раскрыты
в
работах
[7, 8, 9, 10].
Несмотря
на
огромный
потенциал
подобных
технических
средств
,
высокая
стоимость
сдерживает
их
широ
-
кое
распространение
.
Ко
второй
группе
относятся
симметрирующие
трансформаторы
.
К
общим
недостаткам
этих
устройств
можно
отнести
:
громоздкость
конструкции
,
высокую
стоимость
;
воз
-
можность
симметрирования
только
части
нагрузки
электрической
сети
,
непосредственно
подклю
-
ченной
к
устройству
.
Кроме
того
,
устройства
трансформаторного
типа
компенсируют
,
как
правило
,
только
составляющую
токов
и
напряжений
нулевой
последовательности
.
К
третьей
—
устройства
равномерного
распределения
электрической
нагрузки
по
фазам
электрической
сети
.
Пример
по
-
добного
устройства
,
позволяющего
подключать
однофазных
потребителей
к
определенным
фазам
электрической
сети
в
зависимости
от
ее
фазных
токов
,
приведен
в
описании
патента
[11].
В
работе
[12]
предложена
конструкция
коммутатора
фазной
нагрузки
,
алгоритм
работы
которого
заключа
-
ется
в
измерении
фазных
токов
и
выборе
на
их
основе
схемы
соединения
фаз
нагрузки
с
фазами
307
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
электрической
сети
с
целью
минимизации
тока
в
нейтральном
проводе
четырехпроводной
системы
электроснабжения
.
Однако
приведенные
схемы
не
оптимальны
в
отношении
количества
коммута
-
ционных
элементов
.
Кроме
того
,
авторы
работы
[12]
не
предлагают
решения
проблемы
цикличе
-
ских
коммутаций
,
возникающих
в
результате
работы
приведенного
устройства
.
В
работах
[13, 14]
даются
структурные
схемы
и
алгоритмы
работы
многофазного
устройства
выравнивания
нагрузки
.
Алгоритм
симметрирования
Для
устранения
проблемы
несимметрии
токов
и
напряжений
предлагается
устройство
,
сво
-
дящее
к
возможному
минимуму
основную
причину
обозначенной
проблемы
—
несимметрию
присоединенных
нагрузок
.
Устройство
представляет
собой
коммутационный
аппарат
с
микропроцессорным
управ
-
лением
и
позволяет
равномерно
распределять
нагрузку
между
фазами
трехфазной
системы
электропередачи
путем
переключения
однофазных
нагрузок
на
менее
нагруженные
фазы
,
кру
-
говой
перестановки
или
изменения
порядка
чередования
фаз
.
При
наличии
в
составе
нагрузки
трехфазных
электроприемников
,
для
правильной
работы
которых
необходимо
соблюдение
порядка
чередования
фаз
(
например
,
асинхронных
электродвигателей
),
это
указывается
по
-
средством
интерфейса
пользователя
.
В
этом
случае
устройство
выполняет
симметрирование
нагрузки
только
методом
круговой
перестановки
фаз
.
Однолинейная
блок
-
схема
устройства
выравнивания
нагрузки
представлена
на
рисунке
1.
Устройство
содержит
модуль
коммутации
(
МК
),
датчики
тока
отходящей
линии
симметрирую
-
щего
устройства
(
ДТл
),
датчики
тока
электрической
сети
(
ДТэс
),
датчики
напряжения
электри
-
ческой
сети
(
ДН
),
систему
управления
—
контроллер
(
К
).
Алгоритм
симметрирования
нагрузки
,
подключенной
к
трехфазной
электрической
сети
,
за
-
ключается
в
следующем
.
Контроллер
на
основании
сигналов
от
датчиков
напряжения
,
датчиков
фазных
токов
электрической
сети
,
датчиков
фазных
токов
отходящей
линии
симметрирующего
устройства
вычисляет
действующие
значения
тока
в
каждой
фазе
электрической
сети
,
в
каждой
фазе
отходящей
линии
устройства
выравнивания
нагрузки
действующие
значения
фазных
на
-
пряжений
между
каждой
фазой
электрической
сети
и
нейтральным
проводом
.
Контроллер
вы
-
Рис
. 1.
Однолинейная
блок
-
схема
устройства
выравнивания
нагрузки
(
УВН
)
электрической
сети
:
МК
—
модуль
коммутации
;
К
—
контроллер
;
И
—
интерфейс
пользователя
;
ДТэс
—
датчик
тока
электрической
сети
;
ДТл
—
датчик
тока
отходящей
линии
симметрирующего
устройства
;
ДН
—
датчик
напряжения
Электрическая
сеть
УВН
ДТэс
ДТл
ДН МК
К
И
Другие
отходящие
линии
Отходящая
линия
устройства
выравнивания
нагрузки
308
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
числяет
значения
проводимостей
каждой
фазы
электрической
сети
и
каждой
фазы
отходящей
линии
устройства
выравнивания
нагрузки
,
а
также
значения
проводимостей
каждой
фазы
других
отходящих
линий
как
разности
проводимостей
соответствующих
фаз
электрической
сети
и
фазы
отходящей
линии
.
Далее
контроллер
вычисляет
оптимальный
с
точки
зрения
симметрии
способ
распределения
отходящих
линий
нагрузки
по
фазам
внешней
сети
и
подает
управляющие
сигна
-
лы
в
модуль
коммутации
,
реализующий
выбранный
способ
[13, 14].
Эффективность
алгоритма
симметрирования
Для
проверки
алгоритма
симметрирования
нагрузки
и
определения
влияния
устройства
на
характер
распределения
нагрузки
по
фазам
электрической
сети
в
программе
MatlabSimulink
была
создана
компьютерная
модель
устройства
выравнивания
нагрузки
.
Устройство
испыты
-
валось
на
модели
распределительной
сети
0,4
кВ
микрорайона
«
Дубки
»
города
Йошкар
-
Олы
,
в
которой
был
реализован
динамически
меняющийся
характер
нагрузки
,
реализующий
систе
-
матическую
и
вероятностную
составляющую
несимметрии
.
Результаты
моделирования
показаны
на
рисунке
2
в
виде
графиков
изменения
коэффи
-
циентов
несимметрии
напряжений
и
более
подробно
представлены
в
работе
[15].
Результаты
моделирования
показывают
,
что
применение
устройства
способствует
снижению
дополни
-
тельных
потерь
электрической
энергии
,
свя
-
занных
с
несимметричным
режимом
работы
,
в
сетях
0,4
кВ
,
а
также
поддержанию
отклоне
-
ний
напряжения
и
коэффициентов
несимме
-
трии
в
пределах
,
установленных
[3].
Для
достижения
наиболее
эффективной
работы
устройства
выравнивания
нагрузки
была
определена
зависимость
снижения
коэффициентов
несимметрии
напряжения
в
сети
в
зависимости
от
доли
подключен
-
ной
к
устройству
нагрузки
узла
сети
[2].
На
рисунке
3
показан
график
,
построенный
по
усредненным
данным
компьютерного
моде
-
Рис
. 2.
Результаты
снижения
величины
коэффи
-
циентов
несимметрии
по
обратной
и
нулевой
последовательностям
при
работе
устройства
выравнивания
нагрузки
Рис
. 3.
Анализ
эффективности
работы
устройства
выравнивания
нагрузки
Электрическая
сеть
Нагрузка
без
управления
симметрией
P
ф
= 0 ...
P
ф
.
max
P
ф
.
СУ
= 0 ...
P
ф
.
max
СУ
Отношение
P
ф
.
max
СУ
/
P
ф
.
max
K
2
с
симметрированием
/
K
2
без
симметрирования
МК
10
10
без
УВН
без
УВН
К
0
, %
К
2
, %
с
УВН
с
УВН
Время
,
с
Время
,
с
0
0
1,0
0,0
2,0
1,0
0,0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
309
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
лирования
,
где
видно
,
что
максимальный
эффект
(
снижение
коэффициентов
несимметрии
по
обратной
последовательности
)
достигается
при
подключении
к
устройству
половины
на
-
грузки
узла
.
Максимально
возможное
снижение
коэффициента
несимметрии
по
обратной
или
нулевой
последовательности
в
результате
применения
устройства
выравнивания
нагрузки
составляет
68%
от
значения
этого
коэффициента
без
устройства
выравнивания
нагрузки
.
В
реальной
электрической
сети
разброс
коэффициентов
несимметрии
существенно
мень
-
ше
,
но
качественный
характер
представленной
зависимости
сохраняется
.
Для
достижения
максимального
снижения
коэффициента
несимметрии
по
обратной
или
нулевой
последовательности
в
узле
электрической
сети
(
распределительном
устройстве
)
доля
нагрузки
,
подключенной
к
устройству
,
должна
быть
равна
доле
нагрузки
без
управления
симметрией
.
Результаты
работы
компьютерной
модели
силового
трансформатора
в
совокупности
с
ком
-
пьютерной
моделью
устройства
выравнивания
нагрузки
свидетельствуют
о
снижении
допол
-
нительных
потерь
электроэнергии
в
трансформаторе
,
обусловленных
его
несимметричным
режимом
работы
[16].
Техническая
реализация
модуля
коммутации
устройства
выравнивания
нагрузки
Для
реализации
предложенного
алгоритма
симметрирования
нагрузки
разработан
модуль
коммутации
,
рассчитанный
на
номинальный
ток
25
А
—
коммутационный
аппарат
,
обеспечива
-
ющий
возможность
перераспределения
фаз
подключенной
отходящей
линии
по
фазам
элек
-
трической
сети
под
нагрузкой
,
без
предварительного
отключения
потребителей
.
Модуль
коммутации
собран
на
девяти
быстродействующих
ключах
переменного
тока
,
по
-
зволяющих
подключить
любую
фазу
отходящих
линий
нагрузки
к
любой
фазе
электрической
сети
и
обеспечивающих
высокую
скорость
коммутации
.
Изначально
рассматривалось
три
варианта
исполнения
быстродействующих
ключей
:
встречно
включенные
MOSFET
транзисторы
,
встречно
включенные
IGBT
транзисторы
,
сими
-
сторы
(
рисунок
4).
MOSFET
и
IGBT
транзисторы
обеспечивают
большую
скорость
коммутации
,
позволяя
как
включать
,
так
и
выключать
управляемую
цепь
по
сигналу
.
Управляясь
напряжением
,
они
пра
-
ктически
не
имеют
потерь
в
цепи
управления
.
Симистор
устроен
так
,
что
переходит
в
от
-
крытое
состояние
по
управляющему
сигналу
,
а
в
закрытое
—
в
момент
прохода
кривой
мгно
-
венного
значения
тока
в
управляемой
цепи
че
-
рез
ноль
при
отсутствии
управляющего
сигнала
.
Это
означает
,
что
скорость
коммутации
будет
ограничена
,
и
минимальное
значение
бестоко
-
вой
паузы
при
выполнении
перекоммутаций
бу
-
дет
составлять
0,02
с
.
Результаты
экспериментов
по
коммутациям
силовых
цепей
с
различными
подключенными
нагрузками
показали
,
что
бестоковая
пауза
в
один
период
промышленной
частоты
(0,02
с
)
при
пере
-
Рис
. 4.
Рассмотренные
варианты
быс
-
тродействующих
силовых
ключей
пере
-
менного
тока
,
применяемых
в
конструк
-
ции
модуля
коммутации
:
а
)
на
MOSFET
транзисторах
;
б
)
на
IGBT
транзисторах
;
в
)
в
виде
симистора
в
)
б
)
а
)
310
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
ключении
потребителя
с
одной
фазы
электрической
сети
на
другую
не
приводит
к
нарушению
его
нормальной
работы
.
За
0,02
с
все
три
фазы
нагрузки
гарантированно
отключаются
симисторами
.
Кроме
того
,
выполнения
ими
коммутаций
силовых
цепей
не
сопровождается
перенапряжениями
ввиду
особенностей
их
работы
.
Таким
образом
,
силовой
ключ
может
быть
представлен
одним
сими
-
стором
,
что
позволяет
значительно
уменьшить
габаритные
размеры
силовой
части
симметри
-
рующего
устройства
,
а
также
снизить
ее
стоимость
по
сравнению
с
применением
MOSFET
или
IGBT
транзисторов
.
Принципиальная
схема
«
обвязки
»
микроконтроллера
,
управляющего
модулем
коммута
-
ции
,
представлена
на
рисунке
5.
Питание
микроконтроллера
осуществляется
от
источника
постоянного
тока
напряжением
9
В
.
Для
питания
отдельных
элементов
модуля
коммутации
предусмотрен
стабилизатор
напряжения
5
В
.
Управление
быстродействующими
силовыми
ключами
модуля
коммутации
(
симисто
-
рами
BTA25-800B)
выполняется
по
схеме
,
приведенной
на
рисунке
6.
Одна
из
диагоналей
диодного
моста
DB107C
подключена
к
управляющему
электроду
и
силовому
электроду
симистора
,
а
в
другую
диагональ
подклю
-
чен
MOSFET
транзистор
IRFI830G.
Для
пе
-
ревода
симистора
в
проводящее
состояние
подается
управляющий
импульс
на
затвор
MOSFET
транзистора
.
Транзистор
откры
-
вается
,
позволяя
току
нагрузки
протекать
через
симистор
по
пути
«
управляющий
электрод
—
силовой
электрод
».
Когда
ток
нагрузки
достигает
порогового
значения
(
значения
тока
отпирания
симистора
),
сими
-
Рис
. 5.
Принципиальная
схема
«
обвязки
»
микроконтроллера
модуля
коммутации
Рис
. 6.
Принципиальная
схема
силового
ключа
311
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
стор
переходит
в
проводящее
состояние
,
и
ток
нагрузки
течет
через
симистор
по
пути
«
силовой
электрод
—
силовой
электрод
».
Также
следует
отметить
,
что
применение
полупроводниковых
силовых
ключей
в
устройст
-
ве
не
приводит
к
искажению
формы
синусоиды
токов
и
напряжений
нагрузки
и
не
«
засоряет
»
сеть
высшими
гармониками
,
поскольку
каждый
симистор
управляется
не
импульсным
,
а
не
-
прерывным
сигналом
,
поддерживающим
силовой
ключ
в
открытом
положении
на
протяжении
полного
периода
промышленной
частоты
.
Для
предотвращения
коротких
замыканий
силовой
цепи
по
цепям
управления
каждый
MOSFET
транзистор
управляется
микроконтроллером
через
транзисторные
оптроны
PC123
от
индивидуального
источника
постоянного
напряжения
.
Все
девять
индивидуальных
источ
-
ников
постоянного
напряжения
гальванически
не
связаны
меж
-
ду
собой
и
с
цепями
питания
микроконтроллера
,
выполнены
на
трех
-,
четырехобмоточных
импульсных
трансформаторах
,
работающих
на
частоте
62
кГц
(
рисунок
7).
Для
отображения
текуще
-
го
положения
силовых
ключей
предусмотрен
дисплей
LCD
1602A.
Команды
на
выполнение
коммутаций
передаются
на
ми
-
кроконтроллер
модуля
коммута
-
ции
от
блока
управления
через
интерфейс
UART.
Управляющая
програм
-
ма
для
микроконтроллера
ATmega8A
написана
на
языке
C++.
Быстродействие
микрокон
-
троллера
удвоено
переключе
-
нием
его
на
внешний
генератор
тактовых
сигналов
частотой
16
МГц
,
выполненный
в
виде
кварцевого
резонатора
.
Внешний
вид
модуля
комму
-
тации
приведен
на
рисунке
8.
Рис
. 7.
Схема
подключения
импульсных
трансформаторов
Рис
. 8.
Внешний
вид
модуля
коммутации
устройства
вырав
-
нивания
нагрузки
312
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Техническая
реализация
модуля
управления
устройства
выравнивания
нагрузки
Модуль
управления
рассчитан
на
выполнение
измерений
в
3-
фазных
4-
проводных
электри
-
ческих
сетях
.
Измерение
фазных
токов
и
напряжений
производится
на
основании
сигналов
с
первичных
преобразователей
.
В
качестве
последних
для
измерения
напряжений
приняты
резистивные
делители
напряжения
(
рисунок
9
б
).
Для
измерения
тока
были
рассмотрены
три
варианта
первичных
преобразователей
:
изме
-
рительный
шунт
,
датчик
холла
,
измерительный
трансформатор
тока
.
Результаты
эксперимен
-
тов
показывают
,
что
наиболее
предпочтительным
является
трансформатор
тока
,
поскольку
он
не
создает
дополнительных
помех
и
обеспечивает
гальваническую
развязку
измерительной
цепи
от
силовой
.
Цепь
измерения
тока
показана
на
рисунке
9
а
.
Все
необходимые
измерения
,
а
также
вычисление
предпочтительного
с
точки
зрения
сим
-
метрии
способа
перераспределения
отходящих
линий
нагрузки
по
фазам
электрической
сети
осуществляет
запрограммированный
для
этой
цели
AVR
микроконтроллер
ATmega8A,
принци
-
пиальная
схема
«
обвязки
»
которого
приведена
на
рисунке
10.
Схема
включает
сам
микроконтроллер
ATmega8A,
мультиплексор
CD4053B,
выводы
для
под
-
ключения
LCD 1602A,
последовательный
интерфейс
UART,
кнопки
перезагрузки
и
запуска
тестового
режима
,
внешний
тактовый
генератор
,
собранный
на
кварцевом
резонаторе
и
двух
конденсаторах
.
Мультиплексор
CD4053B
расширяет
число
каналов
,
подключенных
к
АЦП
микроконтрол
-
лера
до
девяти
,
делая
воз
-
можным
измерение
всех
необходимых
сигналов
:
трехфазных
токов
от
источ
-
ника
,
трехфазных
токов
от
-
ходящих
линий
,
трехфазных
напряжений
сети
.
Микроконтроллер
реа
-
лизует
предпочтительный
с
точки
зрения
симметрии
способ
перераспределения
Рис
. 9.
Принципиальные
схемы
первичных
преобразователей
устройства
выравнивания
нагрузки
:
а
)
тока
;
б
)
напряжения
б
)
а
)
Рис
. 10.
Принципиальная
схема
«
обвязки
»
микроконтроллера
модуля
управления
313
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
отходящих
линий
нагрузки
по
фазам
электрической
сети
,
выполняя
необходимые
для
этого
коммутации
посредством
силовых
ключей
.
Связь
микроконтроллера
с
блоком
силовых
ключей
осуществляется
через
последовательный
интерфейс
UART.
Управляющая
программа
для
микроконтроллера
ATmega8A
написана
на
языке
C++.
Быс
-
тродействие
микроконтроллера
удвоено
переключением
его
на
внешний
генератор
тактовых
сигналов
частотой
16
МГц
,
выполненный
в
виде
кварцевого
резонатора
.
На
основе
предложенной
схемы
создан
экспериментальный
образец
системы
управления
.
Внешний
вид
модуля
управления
показан
на
рисунке
11.
Технико
-
экономический
расчет
Рынок
симметрирующих
устройств
в
России
представлен
в
основном
симметрирующими
транс
-
форматорами
типа
ТСТ
,
ТМГСУ
и
др
.
Подобные
устройства
имеют
большие
габариты
и
стои
-
мость
.
Развитие
электрических
сетей
и
подключение
новых
мощных
потребителей
,
особенно
при
значительной
длине
линий
электропередачи
,
снижают
эффективность
устройств
трансформа
-
торного
типа
.
Появление
новых
чувствительных
электронных
устройств
и
электрооборудования
требует
соблюдения
показателей
качества
электрической
энергии
,
установленных
в
стандарте
.
Это
определяет
потребность
в
симметрирующих
устройствах
коммутационного
типа
.
Рынок
разрабатываемого
устройства
не
органичен
географически
.
Помимо
устройств
транс
-
форматорного
типа
на
рынке
представлены
технические
средства
,
позволяющие
решать
про
-
блему
несимметрии
,
например
,
сетевые
кондиционеры
или
параллельные
активные
фильтры
.
Расчет
себестоимости
устройства
выравнивания
нагрузки
выполнен
,
исходя
из
стоимости
комплектующих
.
Силовая
часть
симметрирующего
устройства
может
быть
выполнена
в
виде
9
специально
разработанных
силовых
ключей
,
либо
в
упрощенном
виде
—
из
9
симисторов
.
Последний
вариант
несколько
увеличивает
рабочие
потери
устройства
,
но
снижает
его
себе
-
стоимость
приблизительно
в
7–10
раз
.
Исходя
из
этого
,
первый
полнофункциональный
экспериментальный
образец
,
позволяю
-
щий
оценить
рабочие
характеристики
устройства
при
наименьших
затратах
,
планируется
изго
-
товить
с
силовой
частью
на
базе
9
симисторов
.
Таким
образом
,
силовая
часть
будет
выполнена
на
элементной
базе
отечественного
производства
.
Приблизительный
расчет
стоимости
комплектующих
для
сборки
первого
полнофункцио
-
нального
образца
устройства
выравнивания
нагрузки
выполнен
,
исходя
из
:
Рис
. 11.
Внешний
вид
модуля
управления
устройства
выравнивания
нагрузки
314
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
•
расчета
стоимости
комплектующих
для
сборки
универсального
модуля
управления
;
•
приблизительного
расчета
стоимости
комплектующих
для
сборки
полнофункционального
образца
коммутационного
модуля
,
рассчитанного
на
нагрузку
130
кВА
.
Результаты
приблизительного
расчета
показывают
,
что
стоимость
первого
полнофункци
-
онального
образца
устройства
выравнивания
нагрузки
,
рассчитанного
на
нагрузку
130
кВА
,
составит
30 000
рублей
.
При
этом
не
учтены
затраты
,
связанные
с
доставкой
комплектующих
,
затраты
на
сборку
,
а
также
прочие
расходы
.
Создание
первого
образца
устройства
может
по
-
требовать
дополнительных
расходов
,
связанных
с
его
доработкой
и
уточнением
характери
-
стик
,
что
в
конечном
итоге
приведет
к
увеличению
его
стоимости
.
Эффект
от
применения
и
перспективы
дальнейшей
модернизации
Устройство
рассчитано
на
использование
в
области
электроэнергетики
.
Потенциальными
по
-
требителями
продукта
являются
предприятия
распределительных
электрических
сетей
.
Устройство
планируется
изготавливать
с
силовой
частью
,
рассчитанной
на
номинальные
фазные
токи
40, 63, 80, 125, 160, 200, 250, 320
А
.
Предполагаемое
место
установки
устройства
—
РУ
0,4
кВ
ТП
.
Также
планируется
рассмотреть
возможность
установки
устройства
на
ВЛ
0,4
кВ
.
Основное
назначение
устройства
—
повышение
качества
электрической
энергии
и
сни
-
жение
технологических
потерь
в
трехфазных
распределительных
сетях
.
Кроме
того
,
имеют
-
ся
перспективы
дальнейшей
модернизации
.
Предлагаемое
устройство
включает
цифровую
управляющую
систему
.
Каждое
из
устройств
помимо
основной
функции
симметрирования
электрической
сети
способно
осуществлять
контроль
потребления
электрической
энергии
и
ее
показателей
качества
.
Совокупность
устройств
выравнивания
нагрузки
,
расположенных
в
раз
-
личных
точках
разветвленной
электрической
сети
,
может
быть
использована
для
решения
сложных
задач
управления
электрической
сетью
,
контроля
за
нелегальными
подключениями
к
отдельным
участкам
электрической
сети
,
а
также
локализации
этих
участков
.
Таким
образом
,
предлагаемое
устройство
выравнивания
нагрузки
может
являться
одним
из
элементов
интел
-
лектуальных
электрических
сетей
.
Устройство
может
использоваться
в
совокупности
с
тради
-
ционными
симметрирующими
трансформаторами
,
с
целью
снижения
дополнительных
потерь
,
вызванных
составляющими
напряжения
и
тока
обратной
последовательности
.
Таким
образом
,
в
случае
применения
предлагаемого
в
статье
устройства
выравнивания
нагрузки
,
возможно
получить
следующий
эффект
:
1.
Симметрирование
электрической
сети
в
целом
,
что
приведет
к
нормализации
отклонений
напряжения
в
соответствии
с
ГОСТ
32144-2013
как
по
обратной
,
так
и
по
нулевой
последо
-
вательности
.
Симметрирование
нагрузки
отдельного
потребителя
.
2.
Применение
совместно
с
традиционным
решением
—
симметрирующими
трансформа
-
торами
,
что
позволит
значительно
сократить
коэффициенты
несимметрии
,
особенно
по
обратной
последовательности
.
Нормализация
качества
электроэнергии
приведет
,
поми
-
мо
прочего
,
к
сокращению
технологических
потерь
электроэнергии
в
электрических
сетях
и
электрооборудовании
потребителей
.
3.
Контроль
за
несанкционированными
подключениями
потребителей
в
разветвленных
лини
-
ях
электропередачи
,
оснащенных
предлагаемыми
устройствами
выравнивания
нагрузки
,
приведет
к
снижению
коммерческих
потерь
электроэнергии
.
4.
Дистанционное
управление
системой
,
состоящей
из
устройств
выравнивания
нагрузки
,
позволит
применить
их
в
рамках
существующих
концепций
построения
интеллектуальных
электрических
сетей
.
315
УЧЕТ
И
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
5.
Будет
значительно
снижена
стоимость
симметрирования
электрической
сети
по
сравне
-
нию
с
аналогичными
.
Заключение
Таким
образом
,
существующая
проблема
несимметрии
токов
и
напряжений
в
трехфазных
электрических
сетях
может
быть
решена
.
Для
реализации
предлагаемого
в
статье
устройства
выравнивания
нагрузки
разработан
способ
симметрирования
нагрузки
для
трехфазных
элек
-
трических
сетей
и
принципиальные
электрические
схемы
модулей
коммутации
и
управления
.
Проработаны
особенности
технической
реализации
и
создан
опытный
образец
устройства
выравнивания
нагрузки
,
работоспособность
которого
подтверждена
на
компьютерной
модели
.
Для
подтверждения
результатов
компьютерного
моделирования
планируется
испытание
пер
-
вого
полнофункционального
экспериментального
образца
устройства
выравнивания
нагрузки
в
действующих
распределительных
сетях
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Энергосбережение
в
низковольтных
электриче
-
ских
сетях
при
несимметричной
нагрузке
.
Под
общей
ред
.
Ф
.
Д
.
Косоухова
:
Монография
.
СПб
.:
Издательство
«
Лань
», 2016. 280 c.
2.
Орлов
А
.
И
.,
Волков
С
.
В
.,
Савельев
А
.
А
.
Алго
-
ритмы
управления
устройством
выравнивания
нагрузки
многофазной
электрической
сети
//
Ма
-
териалы
Одиннадцатой
международной
научной
школы
«
Наука
и
инновации
-2016».
Йошкар
-
Ола
:
ПГТУ
, 2016.
С
. 110–119.
3.
ГОСТ
323144-2013.
Электрическая
энергия
.
Сов
-
местимость
технических
средств
электромагнит
-
ная
.
Нормы
качества
электрической
энергии
в
си
-
стемах
электроснабжения
общего
назначения
.
Дата
введения
01.07.2014.
М
.:
Стандартинформ
,
2014. 19
с
.
4.
Дед
А
.
В
.,
Паршукова
А
.
В
.,
Халитов
Н
.
А
.
Оценка
дополнительных
потерь
мощности
от
несимме
-
трии
напряжений
и
токов
в
элементах
систем
электроснабжения
//
Международный
журнал
прикладных
и
фундаментальных
исследований
,
2015,
№
10 (
часть
3).
С
. 421–425.
5.
Вохидов
А
.
Д
.,
Немцев
Г
.
А
.
К
определению
по
-
терь
мощности
при
несимметричной
нагрузке
//
Вестник
Чувашского
университета
, 2015,
№
1.
С
. 56–58.
6.
Курилин
С
.
П
.
Развитие
теории
несимметричных
режимов
и
энергетических
процессов
асинхрон
-
ных
двигателей
сельскохозяйственных
электро
-
установок
:
дис
.
докт
.
техн
.
наук
.
М
., 2005. 367
с
.
7. Eason G., Noble B., and Sneddon I.N. On certain
integrals of Lipschitz-Hankel type involving products
of Bessel functions, Phil. Trans. Roy. Soc. London,
vol. A247, pp. 529–551, April 1955. (references)
8. Zagrodnic M.A. Three-Phase AC electrical system,
and method for compensating an inductance
imbalance a system. Patent US 9500182 B2, Nov.
22, 2016.
9. Akagi H., Hagiwara M. Single-Phase power converter,
three-phase two-phase power converter, and three-
phase power converter. Patent US 9596805 B2, Nov.
15, 2016.
10. Oberzaucher F., Krenhuber G. Voltage switch-over
device. Patent US 6369548 B1, Apr. 9, 2002.
11.
Яир
Д
.,
Лупу
В
.
Устройство
равномерного
рас
-
пределения
электрической
нагрузки
по
n
-
фазной
сети
распределения
электроэнергии
.
Патент
РФ
№
2200364,
приоритет
от
05.12.1997.
12.
Венедиктов
С
.
В
.,
Иванов
П
.
В
.,
Андреева
З
.
А
.,
Де
-
ржавин
А
.
С
.
Алгоритм
функционирования
и
рас
-
четная
модель
автоматического
коммутатора
нагрузки
/
Материалы
X
Международной
научной
школы
«
Наука
и
инновации
— 2015».
Й
ошкар
-
Ола
, 2015,
С
. 93–99.
13.
Орлов
А
.
И
.,
Волков
С
.
В
.,
Савельев
А
.
А
.
Анализ
влияния
устройства
выравнивания
нагрузки
на
показатели
несимметрии
электрической
сети
//
Вестник
Чувашского
университета
, 2016,
№
3.
С
. 100–108.
14.
Орлов
А
.
И
.,
Волков
С
.
В
.,
Савельев
А
.
А
.
Алгорит
-
мы
управления
трехфазным
устройством
вырав
-
нивания
нагрузки
электрической
сети
//
Вестник
Чувашского
университета
, 2017,
№
1.
С
. 162–172.
15.
Савельев
А
.
А
.
Моделирование
работы
бестранс
-
форматорного
автоматического
симметрирующе
-
го
устройства
для
низковольтных
электрических
сетей
//
Студенческая
наука
и
XXI
век
, 2016,
№
1(13).
С
. 41–43.
16. Orlov A., Volkov S., Savelyev A., Garipov I.,
Ostashenkov A. Losses in three-phase transformers
at load balancing // Revista Espacios, 2017, vol. 38
(No. 52). P. 37.
Оригинал статьи: Способ минимизации несимметрии токов и напряжений в распределительных сетях 0,4 кВ и устройство для его реализации
В данной работе показана актуальность проблемы несимметрии токов и напряжения в трехфазных электрических сетях, а также предложено решение обозначенной проблемы. Рассмотрены технические особенности устройства выравнивания нагрузки, реализующего предлагаемое решение проблемы несимметрии. Приведены результаты расчета стоимости первого образца устройства, рассчитанного на нагрузку 130 кВА. Рассмотрен возможный эффект от внедрения в распределительных электрических сетях предлагаемого в статье устройства и перспективы его дальнейшей модернизации.
