2. Влияние несимметрии токов и напряжений

НА РАБОТУ ЭО

Синхронные генераторы. Как показывают многочисленные исследования [141, 149, 209, 210, 219], синхронные машины весьма чувствительны к несимметрии токов. При несимметричной нагрузке в обмотке статора трехфазного генератора протекают токи всех симмет­ричных составляющих, причем ток прямой последовательности образует синхронно вращающееся с ротором поле, а ток обратной после­довательности — поле, вращающееся относительно ротора с двойной частотой в обратном направлений. Это приводит к появлению в обмот­ке статора нечетного спектра гармоник тока прямой и обратной после­довательности, а в обмотке ротора — четного [210, 218], которые вызывают дополнительный нагрев обеих обмоток. Несимметричные по фазам токи создают эллиптическое магнитное поле с пространственно-неподвижными центрами [211, 222], которое вызывает вибрацию в генераторе от неравномерных сил притяжения между ротором и статором, увеличивает нагрев поверхностного слоя ротора, особенно по торцам бочки. Токи обратной последовательности приводят к колебаниям активной мощности и механическим перенапряжениям вала и муфти, соединяющей турбогенератор с турбиной.

Согласно ГОСТ 183—74 на электрические машины, длительная работа трехфазных генераторов и синхронных компенсаторов допускается в случае, если токи в фазах не превышают номинального зна­чения и разность токов в фазах не превышает 10 % номинального тока фазы для турбо- и гидрогенераторов и 20 % - для всех других генераторов и синхронных компенсаторов с явно выраженными по­люсами.

На практике турбогенераторы при разности фазных токов, равной 10 % номинального тока, допускают ток обратной последовательности не более 6-7 % номинального [213].

Электродвигатели. Сопротивление обратной последовательности z" индукционных машин в 5—8 раз меньше сопротивления прямой последовательности т. е. двигатели обладают фильтрующими свой­ствами по отношений к токам обратной последовательности. Поэтому даже относительно небольшая несимметрия напряжений (1%) создает значительную несимметрию токов (7-9 %) в обмотках [27.1]. Токи обратной последовательности вызывают дополнительный нагрев, уменьшают полезный момент и располагаемую мощность машин. В [271] приведена формула для расчета температуры обмоток Тн асин­хронных двигателей (АД) в функции несимметрии напряжений :

,

где Т — температура обмоток при симметричном напряжении сети. Из этого выражения следует, что при = 3,5 % температура обмоток двигателя повышается на 25%.

Уменьшение полезного момента двигателя определяется выраже­нием [293]

где s — скольжение.

Для индукционного двигателя в номинальном режиме z"≈0,162, а максимальное скольжение при полной нагрузке равно 0,05.

Поэтому

т. е. уменьшение полезного момента приблизительно равно квадрату коэффициента несимметрии.

Если ≥5 %, несмотря на незначительное снижение полезного момента, резко увеличивается вибрация двигателей и нагрев их обмоток. Установлено [293], что несимметрия напряжений =4 % сокращает срок службы АД вдвое. При несимметрии напряжений и повышенном уровне напряжения прямой последовательности располагаемая мощность электродвигателей снижается на 50—60 % [65,146]. С учетом фильтрующих свойств АД по отношению к токам обрат­ной последовательности в работе [282] рекомендуется ограничивав напряжение обратной последовательности в сети значением 1 %.

Трансформаторы. Несимметрия входных напряжений трансформатора, как и его нагрузочных токов, приводит к появлению несимметрии и неуравновешенности его выходных напряжений [23], обусловленных составляющими соответственно обратной и нулевой последовательности. Особенно чувствительны к несимметрии нагрузок транс­форматоры со схемой соединения обмоток звезда - звезда с нулем, которые, как упоминалось, имеют большое сопротивление нулевой последовательности [27, 197], что вызывает возникновение существен­но неуравновешенной системы их выходных напряжений [13,106]. При расчете располагаемой мощности трансформаторов в НР следует учесть, что перегрев изоляции на 8 °С снижает срок ее службы вдвое [296].

В случае выбора предельной загрузки трансформатора из усло­вия равенства тока наиболее нагруженной фазы номинальному его пропускная способность в НР уменьшается на 42 % мощности одно­фазной эквивалентной нагрузки [232].

Многофазные выпрямители и конденсаторные установки. Несимметрия напряжений ухудшает работу преобразовательных установок [8, 39, 289]. Так, если при симметричном напряжении токи во всех вентилях выпрямителя одинаковы по значению и длительности протекания, то при ≠ 0 отдельные его вентили оказываются недо­груженными, что приводит к снижению располагаемой мощности вып­рямителя. Кроме того, в этом случае в кривых переменного и выпрям­ленного напряжения появляются неканонические гармоники [73, 195] и связанные с ними нежелательные резонансные режимы. Возможно также появление субгармоник [195]. В условиях несимметрии напря­жений в значительной степени теряет свою эффективность многофаз­ное выпрямление с целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока, поскольку амплитуда гармоник двойной частоты оказывается пропорциональной значению напряжения обратной последова­тельности.

Конденсаторные батареи отдельных фаз при находятся под различными напряжениями, что может привести как к их перегрузке, так и к недогрузке. Ори этом располагаемая мощность конденсаторной установки определяется как [1]

).

Отметим, что одновременное влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений еще больше усложняет работу конденсатор­ных установок, поскольку в отличие от симметричных режимов, где резонанс токов в сети имеет место на одной из высших частот, здесь возможны резонансные явления на двух частотах [100, 239].

Несимметричный режим вызывает потери напряжения и мощности в электрических сетях, приводит к появлению дополнительных откло­нений напряжений на зажимах однофазных потребителей и, в част­ности, осветительных и телевизионных приемников, которые очень чувствительны к изменению режима напряжений [204, 210]. Так, при увеличении напряжения на 5 % световой поток ламп накаливания увеличивается на 20 %, а срок их службы сокращается в два раза. При уменьшении напряжения на 5 % световой поток ламп накалива­ния уменьшается на 18 %, а люминесцентные лампы начинают рабо­тать неустойчиво. Телевизоры нормально работают при отклонениях напряжения не более -5% - +10 %• Недостаточно высокое ка­чество напряжения в городских и сельских сетях привело к массовой установке индивидуальных стабилизаторов напряжения для телеви­зоров. Их использование, связанное с большими затратами активных материалов, вызывает дополнительные потери напряжения и электро­энергии, увеличивает загрузку сети реактивной мощностью и токами высших гармоник. Следует отметить, что НР отрицательно влияют на работу инверторов [34, 289], усложняют работу релейной защиты [225], уменьшают устойчивость систем и межсистемных связей [52], приводят к ошибкам при подсчете электроэнергии [194, 274]. Так, в случае амплитудно-фазовой несимметрии напряжений и токов погрешность измерений у обычных счетчиков может достигать 33 %.

Зачастую длительные несимметричные и неуравновешенные режимы сопровождаются значительными отклонениями и колебаниям напряжений, вызываемыми перетоками реактивной мощности, наличием токов и напряжений высших гармоник.