CC BY
39
УДК 811.111 '367/37 ББК 123.34
М.И. ПЕТРОВ, А.А. КУЗЬМИН
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОЙ НАГРУЗКИ НА ПРОЦЕСС УСИЛЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, гармоники, однофазное замыкание на землю, дуга.
Предложены результаты натурных исследований в сети 10 кВ компрессорной станции. Рассмотрен процесс возникновения гармонических искажений в напряжении нормального режима и тока однофазного замыкания на землю; приведены результаты расчетов частоты гармонических искажений в токе однофазного замыкания на землю с точки зрения переходных процессов. Полученные результаты подтверждают возможность появления существенных гармонических искажений в токе однофазного замыкания на землю.
M. PETROV, A. KUZMIN EFFECT OF FREQUENCY-CONTROLLED LOAD ON PROCESSES OF AMPLIFICATION OF HARMONICS DISTORTIONS IN CASE OF SINGLE-PHASE EARTHING Key words: VFD, harmonics, single-phase ground fault, arc.
The paper contains the results of field research in the 10 kV network of the compressor station. We consider the process of the emergence of harmonic distortions in the normalvoltage and single-phase earth fault currents, and present the results of calculating the frequency of harmonic distortions in single-phase earth fault current in terms of transients. The given results confirm the possibility of significant harmonic distortions in single-phase earth fault current.
Основой промышленных электрических сетей среднего класса напряжения являются кабельные линии. На большинстве производств общая протяженность кабельного хозяйства может достигать сотен километров. Наиболее частой причиной аварий является возникновение однофазных замыканий на землю [1]. Причиной замыкания может служить как механическое повреждение кабеля, так и развитие электрического дефекта, приводящее к пробою основной изоляции.
При возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) через место замыкания протекает ток, определяющийся эквивалентной емкостью сети. Величина тока ОЗЗ определяет возможность самоликвидации дуги.
В «Правилах устройства электроустановок» указаны нормы величины емкостного тока, при котором необходимо введение устройств, компенсирующих ток однофазного замыкания на землю [2]. В общем случае ток ОЗЗ может быть определен исходя из выражения
Ic = 3ш^фСф, (1)
где Ic - величина емкостного тока замыкания на землю, А; ш - круговая частота, рад/с; иф - действующее значение фазного напряжения, В; Сф - эквивалентная емкость сети, Ф;
При этом следует понимать, что ток, определяемый выражением (1), позволяет оценить величину емкостного тока промышленной частоты питающей сети. Однако наличие в сети выпрямительной нагрузки, мощных дуговых электрических аппаратов и другой нелинейной нагрузки приводит к по-
явлению в сети высших гармоник (ВГ). Целью настоящей статьи является анализ возможности появления ВГ в токе ОЗЗ.
Рассмотрим работу сети 1 СШ 10 кВ компрессорной станции (рис. 1). Нейтраль сети изолирована. В данной сети работают два электроприводных газоперекачивающих агрегата (ЭГПА) мощностью 4 МВт каждый: высокоскоростной асинхронный электродвигатель (АД) и преобразователь частоты (ПЧ), которые образуют совместно частотно-регулируемые электроприводы. ПЧ производства немецкой фирмы Siemens предназначен для питания и управления АД и построен на базе мощных высокоэффективных полупроводниковых ключей. ПЧ работает с АД по методу векторного управления без датчика скорости. Обеспечивает регулировку частоты выходного напряжения в пределах 0-150 Гц, регулировку величины выходного напряжения - в пределах 0-3300 В. Питание ПЧ производится через 24-пульсную схему выпрямления от двух согласующих трансформаторов, соединенных с ПЧ при помощи четырёх трёхфазных силовых шин.
СШ.1 10 кВ
<-
Рис. 1. Принципиальная однолинейная схема электроснабжения преобразователя частоты ЭГПА
Для данной сети производился мониторинг фазных напряжений нормального режима, осциллограмма проявления гармонических искажений в напряжении показана на рис. 2. В напряжении хорошо видны периодически возникающие гармонические искажения. Периодичность их появлений соответствует схеме работы ПЧ.
Для оценки качества электроэнергии проведены замеры прибором ЭРИС-КЭ.02. Согласно полученным результатам измерений показателей качества в сети СШ.1 10 кВ компрессорной станции подтверждено соответствие требованиям ГОСТ - напряжения нормального режима по коэффициенту искажения синусоидальности.
В рамках продолжения исследования проводился опыт однофазного замыкания на землю с одновременным осциллографированием трехфазного питающего напряжения сети и тока ОЗЗ. На рис. 3 приведена осциллограмма тока ОЗЗ.
Величина тока замыкания на землю частоты 50 Гц составляет 2,24А. В токе видны гармонические искажения, аналогичные гармоническим искажениям в напряжении. Согласно натурной осциллограмме один период колебаний высших гармоник (ВГ) в токе ОЗЗ составляет 185 мкс, что соответствует частоте 5400 Гц. Оценим влияние сети на появление ВГ, для этого рассчитаем частоту свободных составляющих переходных процессов в сети электроснабжения ЭГПА. Относительно протекания ВГ основные элементы контура представлены на рис. 4.
>
Рис. 2. Натурные осциллограммы трехфазного напряжения нормального режима в сети 10 кВ
рОЛОтв/йы]
1 1 1 1| щ
Рис. 3. Натурная осциллограмма тока однофазного замыкания на землю сети 10 кВ
Рис. 4. Принципиальная однолинейная схема замещения электроснабжения преобразователя частоты ЭГПА: ¿кл(пч-тр) - индуктивность кабеля, связывающего преобразователь частоты и согласующий трансформатор; ^кл(пч-тр) - активное сопротивление кабеля, связывающего преобразователь частоты и согласующий трансформатор; Скл(пч-тр) - емкость кабеля, связывающего преобразователь частоты и согласующий трансформатор; ¿кл(тр-сш) - индуктивность кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; ■Ккл(тр-сш) - активное сопротивление кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; Сш(тр-сш) -емкость кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; ¿тр1 - индуктивность третичной обмотки трансформатора; Ьтр2 - индуктивность вторичной обмотки трансформатора; ¿тр3 - индуктивность первичной обмотки трансформатора
Длина кабеля, связывающего преобразователь частоты и согласующий трансформатор, составляет единицы метров (около 10 м), поэтому не имеет существенного влияния на рассматриваемые процессы.
Питание согласующих трансформаторов осуществляется при помощи кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена ПвЭВнгд 3^50 длиной 370 м.
Исходя из сделанных допущений, перейдем к следующей схеме замещения:
СШ.1 10 кВ
¿тр1-3
.¿кл(тр-сш) Скл(тр-сш)
.^кл(тр-сш)
г
Скл(тр-с
.^кл(тр-сш)
Lтр\■Ъ ^кл(тр-сш)
/гт | 1_^
Скл(тр-сш) "I" Скл(тр-сш)
I
г
Рис. 5. Экивалентная схема замещения электроснабжения преобразователя частоты ЭГПА: ¿кл(тр-сш) - индуктивность кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; ■Ккл(тр-сш) - активное сопротивление кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; Скл(тр-сш) - емкость кабеля, связывающего согласующий трансформатор и секции шин; ¿тр1-3 - индуктивность трансформатора
Каждый ключ при коммутации создает собственное возмущение, поэтому при расчете следует учитывать каждую ветвь отдельно.
Частота свободных составляющих может быть определена исходя из выражения
TTC=", (2)
где L - эквивалентная индуктивность сети, Гн; С - эквивалентная емкость, Ф.
Емкость сети исходя из величины тока, согласно выражению (1), составляет 0,0825 мкФ. Индуктивность контура складывается из индуктивностей кабеля и трансформатора; согласно произведенным расчетам величина индуктивности составляет 18 мГн.
Согласно выражению (2) расчетная частота свободной составляющей переходного процесса равна 5830 Гц, что качественно и количественно соотноситься с результатами натурных измерений. Погрешность определения частоты составляет 7,3%.
Выводы. 1. Появляющиеся в данной сети высшие гармоники являются свободными составляющими переходного процесса работы преобразователя частоты ЭГПА.
2. Частота, амплитуда и скорость затухания высших гармоник, появляющихся в сети, определяется параметрами контура протекания.
3. За счет соблюдения резонансных условий в контуре возможен существенный рост величины гармонических искажений в токе ОЗЗ, что приведет к снижению эффективности компенсации тока однофазного замыкания на землю.
На этапе проектирования новых объектов необходимо проведение расчетов с целью определения возможных появлений существенных гармонических искажений в токе ОЗЗ и принятия дополнительных мер к снижению уровня гармоник.
Литература
1. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Ф.Х. Халилов, Г.А. Евдокунин, В. С. Поляков и др.; под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева / Петербургский энергетический институт повышения квалификации Министерства энергетики РФ. СПб., 2002. 260 с.
2. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986.
References
1. Khalilov F.Kh., Evdokunin G.A., Polyakov V.S. et al. Zashchita setei 6-35 kV ot perena-pryazhenii [Protection of 6-35 kV networks from surge]. St. Petersburg, 2002, 260 p.
2. Pravila ustroistva elektroustanovok [Rules for Electrical Installations]. Moscow, Energoato-mizdat Publ., 1986.
ПЕТРОВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
PETROV MIKHAIL - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Industrial Enterprises Power Supply Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
КУЗЬМИН АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ. См. с. 67.
