Расчет резонансных режимов в электрических сетях при наличии источников высших гармоник

Полный текст

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:

$X_L\left(p\right)=pL$,                                           (1)

емкостное сопротивление выражается формулой:

$X_C\left(p\right)=\frac{1}{pC}$.                                          (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 – R_н, X_н) подключена батарея статических конденсаторов, предназначенная для компенсации реактивной мощности (представлена емкостным сопротивлением X_С5). Результирующее сопротивление этого участка сети по правилу параллельного соединения элементов в операторной форме будет равно:

$Z_6=\frac{\frac{1}{p{C}_5}(R_{Н}+p{L}_{Н})}{\frac{1}{p{C}_5}+R_{Н}+p{L}_{Н}}=\frac{R_{Н}+p{L}_{Н}}{1+p{C}_5{R}_{Н}+p^2{C}_5{L}_{Н}}$                (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 (Z_ЭКВ) в операторной форме. Левая часть схемы замещения содержит следующие элементы: активное (R_АТ) и индуктивное (X_АТ) сопротивления автотрансформатора, установленного на подстанции 1 (ПС 1), активное (R_ПВ), индуктивное (X_ПВ) сопротивления и емкость (C₁) ЛЭП, связывающей ПС 1 и секции шин (СШ) распределительного пункта (РП), активное (R_И) и индуктивное (X_И) 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:

$\begin{array}{c}{\varphi }_1(Y_{АТ}+Y_{ПВ}+Y_{С1})-{\varphi }_2{Y}_{ПВ}=0\\ {\varphi }_2(Y_{ПВ}+Y_{ВТ}+Y_{И})-{\varphi }_1{Y}_{ПВ}-{\varphi }_3{Y}_{ВТ}=E_{И}{Y}_{И}\\ {\varphi }_3(Y_{ВТ}+Y_{35}+Y_{c2})-{\varphi }_2{Y}_{ВТ}-{\varphi }_4{Y}_{35}=0\\ {\varphi }_4(Y_{35}+Y_6+Y_{C3})-{\varphi }_3{Y}_{35}-{\varphi }_5{Y}_6=0\\ {\varphi }_5(Y_6+Y_{04}+Y_{C4})-{\varphi }_4{Y}_6-{\varphi }_6{Y}_{04}=0\\ {\varphi }_6(Y_{04}+Y_{Н}+Y_{C5})-{\varphi }_5{Y}_{04}=0\end{array}$              (4)

Графические зависимости кратности перенапряжения от частоты для различных классов напряжения представлены на рисунках 4–7. Максимальные кратности перенапряжения (K_U), 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Об авторах

Владимир Александрович Ощепков

ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: energoowa@mail.ru

кандидат технических наук, доцент

Россия, Омск

Яна Юрьевна Логунова

ООО «РН-Юганскнефтегаз»

Email: jana_logunova@mail.ru

ведущий специалист отдела планирования учета и реализации энергоресурсов

Россия, Нефтеюганск

Список литературы

Дополнительные файлы