Аппаратные средства определения относительного отклонения напряжения и коэффициентов несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательности на предприятиях АПК

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
1
УДК 621. 317. 7
05. 00. 00 Технические науки
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПО НУЛЕВОЙ И ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК
Савенко Алексей Валентинович к.т.н., доцент, доцент кафедры физики mfsav@mail. ru SPIN-code: 6169−5845
Емелин Антон Валерьевич
к.т.н., старший преподаватель кафедры физики
emelin09@rambler. ru
SPIN-code: 3949−7978
Удалый Максим Владимирович студент
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Разработан и предлагается анализатор качества напряжения, который позволяет определять: относительное отклонение напряжения, коэффициенты несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательности. Прибор отличается от существующих простой конструкции и схемотехнический решений, низкой ценой и возможностью вести непрерывный мониторинг показателей качества электрической энергии
Ключевые слова: НЕСИММЕТРИЯ НАПРЯЖЕНИЙ, ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, НУЛЕВАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ, ОБРАТНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
UDC 621. 317.7 Technical sciences
HARDWARE DESIGNED TO DETERMINE THE RELATIVE VOLTAGE DEVIATION AND COEFFICIENT OF VOLTAGE UNBALANCE AT ZERO AND NEGATIVE SEQUENCE IN AGRICULTURAL COMPANIES
Savenko Аleksei Valentinovich associate professor, assistant professor mfsav@mail. ru SPIN-code: 6169−5845
Emelin Anton Valerevich senior lecturer in physics emelin09@rambler. ru SPIN-code: 3949−7978
Udaliy Maxim Vladimirovich student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
We have designed and offered a voltage quality analyzer that allows you defining relative deviation of voltage, voltage unbalance factors at zero and negative sequence. The device differs from the existing ones with simple design and circuit solutions- it has low price and the ability to conduct a continuous monitoring of quality indicators of electric energy
Keywords: VOLTAGE UNBALANCE, RELATIVE DEVIATION OF VOLTAGE, POWER QUALITY, ZERO SEQUENCE, REVERSE SEQUENCE
Электрические сети предприятий АПК имеют ряд специфических особенностей относительно сетей промышленных предприятий. Покажем в связи с этими особенностями основные проблемы, которые возникают:
1. Средняя длина линий 0,4 кВ (800м) в 4 раза превышает аналогичный показатель промышленной энергетики, в связи с этим по статистическим показателям, отклонение напряжения в сельских распределительных сетях от -15 до +20%, а в последнее время −30… +20%
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf/119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
2
[1]- средняя длина линии 10 кВ (15км) в 10 раз превышает аналогичный показатель, а также относительная длина линий 10 кВ достигла 34% протяженности линий всех классов напряжений.
2. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности достигает 7%, а в 40% замеров колеблется от 3 до 4% [2]. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной
последовательности достигает 6,5%. Потери электроэнергии и
напряжений сосредоточены в основном (до 70%) в сети 0,4 кВ. Относительные значения тока нейтрали в 3…5 раз больше за счёт большего влияния однофазных нагрузок, что особенно характерно для коммунально-бытовых потребителей, играющих более заметную роль в сельских сетях. В результате показатели качества электрической энергии в сети 0,4 кВ не соответствуют ГОСТ 32 144–2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», что в свою очередь вызывает ее дополнительные технические потери, сокращение срока службы электрооборудования.
Возникает необходимость в применении надежных, точных и дешевых средств определения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) и в частности, относительного отклонения напряжения, коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности и коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. Универсальных технических средств, решающих эту задачу прямыми измерениями, пока не создано ни отечественными, ни зарубежными фирмами. Использование широко распространенных щитовых стрелочных и цифровых приборов (вольтметров, амперметров, ваттметров, варметров) требует создания значительного приборного парка и очень сложных схем измерений и соответствующих методик обработки результатов косвенных измерений. Например, определение напряжения нулевой U0 и обратной U2 последовательностей по формулам, предлагаемым в соответствующей
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdi7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
3
методике [3] требует определения абсолютных значений линейных и фазных напряжений сети с погрешностью не менее 0,5%, что на практике, в реальных сельских сетях, вряд ли удастся добиться. Поэтому более перспективным представляется использование специализированных анализаторов режима сети позволяющих по результатам прямых и косвенных измерений определять частичный или полный набор показателей режима. Ведущие приборостроительные фирмы мира Fluke Instruments, Circutor и др. серийно выпускают подобные анализаторы. Однако, основным их недостатком является относительно высокая стоимость (более 1000 долларов). К тому же прямыми измерениями они не позволяют определять полный функциональный набор необходимых показателей U1, I1, U0, I0, U2, I2- что вынуждает опираться на результаты косвенных измерений и естественно приводит к определенным погрешностям при обработке. Поэтому предлагаются следующие схемные решения и аппаратные средства, позволяющие службе главного энергетика сельскохозяйственного предприятия не прибегая к услугам специализированных аудиторских фирм, и не приобретая дорогие приборы проводить непрерывный мониторинг ПКЭ своими силами.
Относительное значение отклонения напряжения прямой последовательности (НПП) определяется с помощью разработанной прецизионной резистивной балансно — мостовой схемы в опорном плече которой используется прецизионный стабилитрон КС 191Ф (0,01%/град.) обеспечивающий требуемую точность измерений рис. 1.
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf/119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
4
Рисунок 1 — Принципиальная схема определения относительного
отклонения напряжения
Схема замещения представлена на рисунке 2.
Опорное напряжение стабилитрона КС191Ф представлено источником ЭДС E = 9.1 В, сопротивление на участке стабилизации R3=15 Ом. Определим аналитически ток I3, т. е. показания микроамперметра магнитоэлектрической системы. По первому и второму законам Кирхгофа получаем систему для определения токов в ветвях:
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
5
Ii R +14 R = Ud — Е
I2 R2 + 15 R4 = Ud
& lt- Ii R + 1 з R5 — 12 R2 = 0
11 — 13 — 12 = 0
12 + 13 — 15 = 0
Ток I5 = I2 +13 и I4 = I3 -13 подставим во второе и первое уравнение соответственно. Получаем систему из трех уравнений
'- 12 (^2 + R4)+ IR4 = U ¦11 (R2 + R3)-13 R3 = U — E
I1R1 + 13 R5 — 12 R2 = 0
В результате, получаем
13 =
(Ud (R3R2 — R1R4)+ E (RiR2 + RiR4))
RRR + R2R3R5 + RRR + RRR + R3R4R5 + RRR + RRR + R2R3R4
Отклонение напряжения
(5U = 0,2 •-
— (Ud (R3R2 — R1R4)+ E (R R2 + R1R4))
RRR + R2R3R5 + RRR3 + RRR + R3R4R5 + RRR + RRR4 + R2R3R4

Выбираем R2=300 кОм, R1 =43.5 кОм, R4=5.5 кОм, R5=12.5 кОм. Параметры схемы выбраны из условия
Ud (R3 R2 — R1R4) + E (R1R2 + R1R4) = 0
Абсолютная погрешность измерений по требованиям ГОСТ 32 144–2013 «Нормы качества электрической энергии в системах
электроснабжения общего назначения» не должна превышать по абсолютному значению 0,5%.
Согласно методу Монте-Карло при вариации параметров системы R1, R2, R4, R5 от 0 до 5% их номинальных значений по нормальному закону распределения, абсолютная погрешность определения относительного отклонения напряжения не превышает 0,14%. При этом
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdi7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
6
проведено 500 000 испытаний для каждого целого значения относительного отклонения напряжения. Результаты показаны в таблице 1.
Таблица 1 — Абсолютная погрешность определения относительного отклонения напряжения при вариации параметров от 0 до 5%.
5U, % 0 2 5 10 -2 -5 -10
5U, % по формуле при вариации -0,05 1,93 4,90 9,86 -2,03 -5,00 -9,95
Абсолютная погрешность -0,05 -0,07 -0,1 -0,14 -0,03 0 0,05
Определение коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности предлагается с помощью симметричной прецизионной резистивной «звезды» (рисунок 3).
Рисунок 3 — Определение коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности
Ток нейтрали пропорционален напряжению нулевой последовательности. Для его определения с целью уменьшения зоны нечувствительности предложено использование диодно — резистивного выпрямительного моста. В качестве измерительного прибора используется микроамперметр магнитоэлектрической системы, позволяющий получить
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
7
высокую точность и высокую чувствительность. В случае включения диода VD1 в прямом направлении, диода VD2 в обратном направлении (один полупериод), напряжение UNN'- определяется
U
NN '-1
U,
+ U
+ Ur
Ra B Rb c Rc
1
1
1
1 1 1 1
Н Н +
Ra Rb Rc Rжв1
где UA, UA, Uc — комплексы фазных напряжений-
Ra, Rb, Rc — сопротивления фаз (выбраны по 300 кОм) — R^ - эквивалентное сопротивление участка NN'
& quot-^экв!
R3 (R4 + R5) R3 + R4 + R5
При
этом потенциал точки a (ра —
Vb = UNN
= U^, j, потенциал точки
R4.
R4 + R5
b
Напряжение на участке цепи ab на одном полупериоде можно выразить в виде:
Uab ()= Unkp/2
f
1 --

v
R4 + R5 J
sm at
В случае включения диода VD2 в прямом направлении, диода VD1 в обратном направлении (один полупериод), напряжение Нш' определяется как Unn'2
U
NN2
U,
R,
+ U,
R
+U
R
1
1
1
1 1 1 1
4 + +
Ra Rb Rc Rжв 2
где R, Ke2 — эквивалентное сопротивление участка NN'
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf/119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
8
_ R (r + R)
экв2 R + R + R
Аналогично напряжение на участке цепи ab в следующем полупериоде (л, 2п) можно выразить в виде
Uab (t) = -uNmV2
R
V R3 + R5 у
sin at
Определим среднее значение напряжения за весь период
^ 2л
— j Uab (at)dat
Uср — | U ab (
2л 0
Up =- p 2л
л
| Un,^2
V 0
1 — R4
V R4 + R5 у

sin atdat — |U2 42
U =
cp
42
л
f r U
NN'-1
1 — R4
V R4 + R5 у
+ UNN'-2
(R3 У У
1 3 sin atdat
1 R3 + R5 J у
R J У
f
1 —
V R3 + R5 у у
Показания микроамперметра будут соответствовать выражению
I =
Ucp 42
R5 TZR5
f г U
NN1
1 — R4
V R4 + R5 у
+ UNN 2
1 — R

V R3 + R5 у у
Шкала магнитоэлектрического микроамперметра проградуирована в процентах и позволяет напрямую оценить коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности
S0U = 0,2
42_
лИ.
f
UNN 1
R
f
1 -V R4 + R5 у
+U
NN 2
R
ЛЛ
1 -¦
V R3 + R5 у у
1
л
или
?0U 0,2
42 (г
UNm
л
V R + R5 у
+ U
NN '-2
'- 1 & quot-
V R3 + R5 уу
1
Параметры элементов схемы Ra=Rb=Rc= 300 кОм, R3=R4=100 кОм, R5=49кОм. Схема позволяет определить коэффициент отклонения нулевой
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf/119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
9
последовательности от 0 до 10% с абсолютной погрешностью, не более 0,3%. Оценка параметрической чувствительности показаний
микроамперметра представлена в таблице 2. При отклонении параметров R3 и R5 абсолютная погрешность не превышает 0,1%.
Таблица 2 — Погрешности при определении коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности
Sou,% истинное значение S0U,% измеренное значение Абсолютная погрешность S0U,% при отклонении параметра R3+5% S0U,% при отклонении параметра R3−5%
0 0 0 0 0
2 1,99 -0,01 1,98 2,00
4 3,98 -0,02 3,97 3,99
6 5,97 -0,03 5,95 5,99
8 7,96 -0,04 7,94 7,99
10 9,95 -0,05 9,92 9,98
напряжений по обратной с помощью симметричной
Коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности может быть определен двумя вариантами схемотехнических решений.
Вариант 1.
Коэффициент несимметрии последовательности определяется прецизионной резистивно — емкостной схемы «треугольника» с внутренней емкостной «звездой» в плечах которого установлены «мосты Вина» (рис. 4) [5].
Средние точки «мостов Вина» образуют трехфазные входы мостового выпрямителя нагруженного на измерительный микроамперметр. Параметры «плеч» выбраны таким образом, чтобы подавлять на входе
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdi7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
10
трехфазного мостового выпрямителя напряжение прямой последовательности, что и позволяет выделить напряжение обратной последовательности, величина которого пропорциональна выпрямленному току моста.
Рисунок 4 — Принципиальная схема определения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности
Влияние высших гармонических составляющих позволяет устранить внутренняя емкостная «звезда». Предложенная схема фильтра напряжения обратной последовательности имеет в 3 раза большую крутизну статической характеристики и в значительно меньшей мере (примерно на порядок, как показали экспериментальные исследования в реальной сети) подвержен влиянию высших гармоник напряжения сети.
Принцип действия предлагаемого фильтра показан на векторной диаграмме (рис. 5, рис. 6). При отсутствии напряжения обратной
последовательности (рис. 5), линейное напряжение UAB состоит из векторной суммы падений напряжений на элементах Xcab, Rb1 и Rb. Линейное напряжение UBC состоит из векторной суммы падений напряжений на элементах Xcbc, Rc1 и Rc. Линейное напряжение UCA состоит из векторной суммы падений напряжений на элементах Xcab, Ra1 и Ra. При этом параметры этих элементов подобраны таким образом, чтобы
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
11
потенциалы точек ф1, ф2, ф3 совпадали, т. е. длины сторон между точками ф1 и ф2, ф1 и ф3, ф2 и ф3 в этом случае будут равны нулю.
Рисунок 5 — Векторная диаграмма при sU2=0
В случае наличия в электрической сети напряжения обратной последовательности (рис. 6) устройство подает на вход трехфазного мостового выпрямителя напряжение обратной последовательности, значение которого равно сторонам равностороннего треугольника, образованного точками ф1, ф2 и ф3. Это позволяет выделить величину напряжения обратной последовательности, которое через выпрямительный мост можно измерить прибором магнитоэлектрической системы. За счет конденсаторов, включенных в средние точки ф1, ф2, ф3 соответственно по схеме «звезда» достигается независимость показаний прибора магнитоэлектрической системы от наличия гармонических составляющих.
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
12
Рисунок 6 — Векторная диаграмма при еи2ф0
Предложенные схемотехнические решения реализованы и являются составной частью автономного анализатора качества напряжения (АКН). АКН разработан для объективного, технически обоснованного анализа искажений напряжения в конкретной точки сети 0,4 кВ. Этот прибор внедрен и используется Энергосбытом ОАО «Кубаньэнерго».
Вариант 2.
Для определения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности предлагается алгоритм смысл, которого показан на функционально структурной схеме рисунок 7 [6]. Известно, что любую периодическую функцию f (wt) c периодом 2п, которая удовлетворяет условию Дирихле можно разложить в тригонометрический ряд Фурье.
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
13
В ходе исследований была установлена зависимость между
U
действующим значением второй гармоники и2 = -р2 выходного сигнала
2
трехфазного двухполупериодного выпрямителя и коэффициентом несимметрии напряжения по обратной последовательности. Получена линейная регрессию с помощью программных средств:
?2 = 0,287Uф + 0. 033.
При этом максимальная относительная погрешность не превысит 5%. Отсюда следует, что методическая погрешность предложенного способа определения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности не превышает 5%.
В статье показан синтез функциональных устройств для определения показателей качества напряжения. Совокупность этих устройств представляет собой АКН [7]. Основные достоинства прибора: низкая цена, прибор не требует питания (сделан на пассивных элементах), не требует передачи данных на компьютер, обеспечивает высокую точность измерения показателей качества. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности определяется в диапазоне от 0 до 10%, при этом абсолютная погрешность не превышает требования стандарта, т. е. 0,3%. При вариации параметров схемы в пределах от 0 до 5%, абсолютная погрешность не превышает 0,05%. Относительное отклонение напряжения определяется в диапазоне от -10 до +10%, при этом абсолютная погрешность не превышает 0,5%. При вариации параметров
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
14
схемы от 0 до 5% их номинальных значений по нормальному закону распределения, абсолютная погрешность определения относительного отклонения напряжения не превышает 0,14%. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности определяется в диапазоне от 0 до 10%. При этом абсолютная погрешность не превышает 0,3%, что соответствует требованиям стандарта. Прибор хорошо показал себя на практике при работе в сельских электрических сетях 0,4 кВ. Таким образом, предлагаются приборные средства учета показателей качества электроэнергии. Сельскохозяйственные предприятия могут использовать АКН для непрерывного мониторинга ПКЭ и устанавливать его на каждую трансформаторную подстанцию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бородин И. Ф. Потери электроэнергии в сельских сетях и пути их снижения / И. Ф. Бородин, А. П. Сердешнов // Техника в сельском хозяйстве. — 2002. — № 1. — С. 23−26.
2. Троицкий А. И. О потерях электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,4 кВ // Изв. вузов Сев. -Кав. науч. центра высш. шк. Технические науки. — 1996. — № 1. — С. 78 — 88.
3. Савенко А. В. Аналитическое определение коэффициентов несимметрии напряжения сети по нулевой и обратной последовательностям / А. В. Савенко // Известия вузов. Электромеханика. — 2006. — № 2.
4. Тропин В. В. Савенко А.В. Емелин А. В. Фильтр напряжения обратной последовательности. Патент Р Ф на изобретение № 2 353 943 Приоритет изобретения 17. 03. 2008 Зарегистрировано в Г осударственном реестре изобретений РФ 27. 04. 09.
5. Пат. 2 316 776 Российская Федерация МПК G01R 29/16 Н03Н 7/00 Фильтр напряжения обратной последовательности / В. В. Тропин, А. В. Савенко- заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет. -№ 2 006 134 794/09- заявл. 02. 10. 2006- опубл. 10. 02. 2008, бюл. № 4. — 4 с.
6. Пат. 2 353 943 Российская Федерация МПК G01R 29/16 Фильтр напряжения обратной последовательности / В. В. Тропин, А. В. Савенко, А. В. Емелин- заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет. -№ 2 008 110 252/09- заявл. 17. 03. 2008- опубл. 27. 04. 2009, бюл. № 12. — 4 с.
7. Савенко А. В. Полномасштабный анализатор отклонений и колебаний напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей / А. В. Савенко, В. В. Тропин // Известия вузов. Электромеханика — 2014. — № 3. С. 7−8.
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdi7119. pdf
Научный журнал КубГАУ, № 111(07), 2015 года
15
References
1. Borodin I.F. Poteri jelektrojenergii v sel'-skih setjah i puti ih snizhenija / I.F. Borodin, A.P. Serdeshnov // Tehnika v sel'-skom hozjajstve. — 2002. — № 1. — S. 23−26.
2. Troickij A. F О poterjah jelektrojenergii v sel'-skih raspredelitel'-nyh setjah 0,4 kV// Izv. vuzov Sev. -Kav. nauch. centra vyssh. shk. Tehnicheskie nauki.? 1996.? № 1.? S. 78? 88.
3. Savenko A.V. Analiticheskoe opredelenie kojefficientov nesimmetrii naprjazhenija seti po nulevoj i obratnoj posledovatel'-nostjam / A.V. Savenko // Izvestija vuzov. Jelektromehanika. — 2006. — № 2.
4. Tropin V.V. Savenko A.V. Emelin A.V. Fil'-tr naprjazhenija obratnoj posledovatel'-nosti. Patent RF na izobretenie № 2 353 943 Prioritet izobretenija 17. 03. 2008 Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre izobretenij RF 27. 04. 09.
5. Pat. 2 316 776 Rossijskaja Federacija MPK G01R 29/16 N03N 7/00 Fil'-tr naprjazhenija obratnoj posledovatel'-nosti / V. V. Tropin, A. V. Savenko- zajavitel'- i patentoobladatel'- FGOU VPO Kubanskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet. -№ 2 006 134 794/09- zajavl. 02. 10. 2006- opubl. 10. 02. 2008, bjul. № 4. — 4 s.
6. Pat. 2 353 943 Rossijskaja Federacija MPK G01R 29/16 Fil'-tr naprjazhenija obratnoj posledovatel'-nosti / V. V. Tropin, A. V. Savenko, A. V. Emelin- zajavitel'- i patentoobladatel'- FGOU VPO Kubanskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet. — № 2 008 110 252/09- zajavl. 17. 03. 2008- opubl. 27. 04. 2009, bjul. № 12. — 4 s.
7. Savenko A.V. Polnomasshtabnyj analizator otklonenij i kolebanij naprjazhenij prjamoj, obratnoj i nulevoj posledovatel'-nostej / A.V. Savenko, V.V. Tropin // Izvestija vuzov. Jelektromehanika — 2014. — № 3. S. 7−8.
http: //ej. kubagro. ru/2015/07/pdf/119. pdf

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой