Calculation of resonant modes in electric networks in case of sources of higher harmonics
- Authors: Oshchepkov V.A.1, Logunova J.Y.2
-
Affiliations:
- Omsk State Technical University
- Limited Liability Company "RN-Yuganskneftegaz"
- Issue: Vol 19, No 1 (2023)
- Pages: 147-155
- Section: POWER INDUSTRY
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/322784
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202301147-155
- ID: 322784
Cite item
Full Text
Abstract
Subject of research: resonant modes in electrical networks 35/6/0.4 kV of oil producing enterprises.
Purpose of research: calculation of frequencies at which the occurrence of resonant modes is possible, determination of the multiplicity of overvoltages in the nodes of the electrical network.
Object of research: distribution electrical networks 35/6 kV, groups of non-linear electrical receivers 0.4 kV, which are sources of harmonic distortion.
Main results of research: a method for calculating resonant modes in the presence of sources of higher harmonics is presented. The frequencies at which the occurrence of resonances is possible are determined; for each voltage class, the multiplicity of arising overvoltages is determined. Physical measurements of non-sinusoidality levels were carried out using certified equipment. Based on a comparison of the calculation results and the actual level of higher harmonics in the electrical network, a technically sound decision is made to install filter-compensating devices to suppress higher harmonics and prevent an emergency.
Full Text
Введение
Качество электрической энергии влияет на размещение БСК в узлах систем электроснабжения. При наличии в системах электроснабжения крупных нелинейных нагрузок может произойти перегрузка конденсаторных батарей в присутствии токов высших гармоник питающей сети [6].
В частности, при наличии широкого спектра высших гармоник в кривой питающего напряжения может возникнуть режим резонанса на частотах, близким к частотам одной или нескольких высших гармоник, содержащихся в питающей сети. Возникающие резонансные режимы производят эффект усиления влияния высших гармоник на работу электрооборудования в частности, на БСК, усугубляя их перегрузку токами гармоник [5, 7]. В конечном счете, такая токовая перегрузка отрицательно сказывается на сроках эксплуатации конденсаторов, что приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя конденсаторных батарей.
В работе [1] предложена и апробирована на практике авторская методика по определению резонансных режимов в узлах сети и порядков высших гармоник, на которых этот режим может возникнуть.
Авторы работы [4] провели исследование, доказавшее, что причиной периодических отключений и перегрузок БСК в системе электроснабжения ОАО «Ачинский НПЗ ВНК» было возникновение режима резонанса в контуре «БСК–понижающие трансформаторы 6/0,4 кВ».
Резонансные режимы могут возникнуть при изменении конфигурации СЭС, подключении (отключении) БСК, линий электропередачи, изменения нагрузки. Резонансные режимы могут существовать не только на высших гармоник, рекомендуемых для учета согласно ГОСТ 32144-2013, но и на частотах высокого порядка (n>40). В работе [2] авторами было проведено исследование, которое показало существование резонансных на частотах выше 40-й гармоники.
Результаты и обсуждение
Произведем расчет резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ, питающей объекты нефтедобычи в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре. Схема исследуемой сети представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема исследуемой электрической сети
На исследуемом объекте к шинам 0,4 кВ подключена нагрузка, питаемая через преобразователи напряжения. Для оценки возможности существования резонансных режимов (резонанса токов) в исследуемой системе на основании имеющейся схемы электрической сети составим схему замещения. Схема замещения исследуемой электрической сети приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема замещения участка электрической сети
На основании полученной схемы замещения, параметров трансформаторов, линий электропередачи и нагрузок составим уравнение в операторной форме для расчета режима по методу узловых потенциалов. Перед выполнением процедуры свертки схемы замещения представим реактивные сопротивления (индуктивные и емкостные) в операторной форме.
Индуктивное сопротивление в операторной форме имеет следующий вид:
, (1)
емкостное сопротивление выражается формулой:
. (2)
Далее необходимо произвести операцию свертки правой части схемы замещения относительно узлов «2» и «0». Рассмотрим в качестве примера первый этап преобразования схемы замещения. Параллельно нагрузке 0,4 кВ (представлена активно-индуктивной ветвью схемы замещения – Rн, Xн) подключена батарея статических конденсаторов, предназначенная для компенсации реактивной мощности (представлена емкостным сопротивлением XС5). Результирующее сопротивление этого участка сети по правилу параллельного соединения элементов в операторной форме будет равно:
(3)
Дальнейшие действия, направленные на преобразование схемы замещения электрической сети, будут выполняться аналогично с применением правил преобразования последовательно и параллельно соединенных ветвей.
В результате преобразования правая часть схемы замещения будет представлять собой одно эквивалентное сопротивление (ZЭКВ) в операторной форме. Левая часть схемы замещения содержит следующие элементы: активное (RАТ) и индуктивное (XАТ) сопротивления автотрансформатора, установленного на подстанции 1 (ПС 1), активное (RПВ), индуктивное (XПВ) сопротивления и емкость (C1) ЛЭП, связывающей ПС 1 и секции шин (СШ) распределительного пункта (РП), активное (RИ) и индуктивное (XИ) сопротивления источника высших гармоник и источник питания (E50). Полученная схема замещения представлена на рисунке 3, а параметры её элементов – в таблице 1.
Рисунок 3 – Схема замещения после ряда эквивалентных преобразований
Таблица 1
Параметры элементов схемы замещения
RАТ, Ом | XАТ, Ом | RПВ, Ом | XПВ, Ом | C1, Ф |
0,024 | 5,949∙10-3 | 2,531 | 0,014 | 8,593∙10-6 |
Система уравнений, составленная по методу узловых потенциалов для рассматриваемой схемы (рисунок 3), имеет вид:
(4)
Графические зависимости кратности перенапряжения от частоты для различных классов напряжения представлены на рисунках 4–7. Максимальные кратности перенапряжения (KU), частоты, на которых возможен режим резонанса (f) и порядок ВГ, на частотах которых возможен резонанс (n) при различных классах напряжения (U) (в различных точках рассматриваемой сети), представлены в таблице 2.
Рисунок 4 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 110 кВ)
Рисунок 5 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 35 кВ)
Рисунок 6 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 6 кВ)
Рисунок 7 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 0,4 кВ)
Таблица 2
Высшие гармоники, в окрестности которых возможен резонанс
U, кВ | KU, о.е. | f, Гц | N |
110 | 0,821 | 638 | 13 |
537 | 11 | ||
844 | 17 | ||
35 | 2,905 | 638 | 13 |
258 | 5 | ||
537 | 11 | ||
844 | 17 | ||
6 | 2,1 | 638 | 13 |
537 | 11 | ||
844 | 17 | ||
0,4 | 1,97 | 258 | 5 |
537 | 11 | ||
638 | 13 |
Из таблицы 2 и графиков (рисунки 4–7) видно, что резонансный режим будет наблюдаться при частотах 258 Гц (5 гармоника), 537 Гц (11 гармоника), 638 Гц (13 гармоника) и 844 Гц (17 гармоника). Иными словами, при наличии нелинейной нагрузки, генерирующей 5, 11, 13 и 17 гармонику в сеть, будет наблюдаться режим резонанса.
Для оценки необходимости фильтрации высших гармоник в исследуемой системе электроснабжения (рис. 1) были проведены физические измерения показателей качества электроэнергии. Измерения производились в соответствии с действующей нормативной документацией. Были использованы приборы Fluke 435 и Metrel 2792А. Измерения производились на СШ 6 кВ, осциллограмма и спектральный состав напряжений приведены на рисунках 8 и 9 соответственно.
Рисунок 8 – Осциллограмма напряжений на СШ 6 кВ
Рисунок 9 – Спектральный состав сигнала напряжения на СШ 6 кВ
Результаты измерений показывают, что в сети 6 кВ присутствуют гармоники, на которых возможен режим резонанса и опасные перенапряжения. Для защиты электрических сетей и уменьшения влияния высших гармоник в данном случае необходимо применение фильтров [3].
Заключение и выводы
- В электрических сетях нефтедобывающих предприятий постоянно растет доля электрических нагрузок, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику, что, в конечном счете, является причиной появления высокочастотных составляющих (высших гармоник) тока и напряжения. Высшие гармоники приводят к перегрузке токоведущих частей, а для батарей статических конденсаторов – могут стать причиной преждевременного выхода из строя или даже физического разрушения.
- В работе представлена методика расчета резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ. Основные источники гармонических искажений представлены на классе напряжения 0,4 кВ. Такими источниками являются станции управления погружными электродвигателями. Существенная доля нелинейной нагрузки 0,4 кВ вызывает искажения несинусоидальности на стороне 6 кВ. При этом возможны двукратные перенапряжения.
- В работе представлены зависимости кратности перенапряжений от частоты, что позволило определить резонансные частоты, способные нанести ущерб электрооборудованию. Результат физических измерений показателей качества электроэнергии с применением сертифицированного оборудования, показал наличие высших гармоник, способных привести к резонансу в электрической сети.
Результаты работы могут быть использованы для расчета режимов электрических сетей на стадии проектирования или при планировании установки технических устройств по фильтрации высших гармоник в распределительных сетях 0,4-6 кВ.
About the authors
Vladimir A. Oshchepkov
Omsk State Technical University
Author for correspondence.
Email: energoowa@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Russian Federation, OmskJana Yu. Logunova
Limited Liability Company "RN-Yuganskneftegaz"
Email: jana_logunova@mail.ru
Leading Specialist of the Department of Planning, Accounting and Sales of Energy Resources
Russian Federation, NefteyuganskReferences
- Коверникова, Л. И. Один из подходов к поиску резонансных режимов на высших гармониках / Л. И. Коверникова, С. С. Смирнов. – Текст : непосредственный // Электричество. – 2005. – № 10. – С. 62–69.
- Николаев, А. А. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия / А. А. Николаев, Г. П. Корнилов, Т. Р. Храмшин, Г. Никифоров, Ф. Ф. Муталлапова. – Текст : непосредственный // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. – 2016. – Т. 14, № 4. – С. 96–105.
- Расчет резонансных режимов систем электроснабжения и разработка мероприятий по фильтрации высших гармоник / В. А. Ощепков [и др.]. – Текст : непосредственный // Промышленная энергетика. – 2018. – № 9. – С. 10–16.
- Павлов, И. В. Изучение электромагнитной совместимости конденсаторных установок в системе электроснабжения ОАО «Ячинский НПЗ ВНК» при наличии высших гармоник / И. В. Павлов, О. А. Дружинин, Д. А. Скакунов, В. П. Твердохлебов, Ф. А. Бурюкин. – Текст : непосредственный // Технологии нефти и газа. –2011. – № 1. – С. 41 43.
- Atkinson-Hope, G. Decision theory process for making a mitigation decision on harmonic resonance / G. Atkinson-Hope, K. A. Folly // IEEE Transactions on Power Delivery. – Vol. 19, Issue 3. – Рp.1393-1399, July 2004. – doi: 10.1109/TPWRD.2004.829142.
- Osipov, D. S. Calculation of currents resonance at higher harmonics in power supply systems based on wavelet packet transform / D. S. Osipov, D. V. Kovalenko, N. N. Dolgikh // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) (14–16 Nov, 2017) // IEEE Conference Publications. Omsk, Russia. – doi: 10.1109/Dynamics.2017.8239492.
- Huang, Z. A practical harmonic resonance guideline for shunt capacitor applications / Z. Huang, W. Xu, V. R. Dinavahi // IEEE Transactions on Power Delivery. – Vol. 18, Issue 4. – Рp.1382-1387, Oct 2003. – doi: 10.1109/TPWRD.2003.817726.