Технические науки/5. Энергетика

Д.т.н. Самарин Г.Н., аспирант Егоров М.Ю., соискатель Поляков С.В., соискатель Луканов С.Н.

ФГБОУ ВПО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия

Актуальность разработки устройства симметрирования напряжений (УСН) для электрических сетей

Несимметрия напряжений – довольно частое явление в сельских и городских электрических сетях напряжением 0,4 кВ и один из факторов, по которому оценивается качество электроэнергии. В свою очередь, успешность широкого и повсеместного внедрения европейских стандартов в технике и на производстве напрямую зависит от уровня качества электрической энергии и решения вопросов электромагнитной совместимости устройств.

Что же такое несимметрия напряжений, и каковы причины ее возникновения? Надо сказать, что за сложными формулировками и терминами скрывается довольно насущная и иногда даже опасная проблема электрических сетей. Несимметрия напряжений, именуемая также на сленге специалистов как «перекос фаз», проявляет себя, например, в виде повышенного напряжения в одних квартирах при одновременно пониженном напряжении в других квартирах в одном доме или подъезде. Владельцы коттеджей с трехфазным вводом электроэнергии могут иной раз пожаловаться на то, что напряжения по всем трем фазам не равны между собой. Иногда возникают необоснованные скачки напряжения, когда грозового фронта нет поблизости, а то и вовсе зимний сезон, а телевизоры, компьютеры и холодильники выходят из строя из-за перенапряжения. Может иметь место неестественный шум холодильника при его работе, кратковременное самопроизвольное выключение электроприборов, лампы в светильниках то притухают, то разгораются слишком ярко и порой перегорают. Все это и многое другое – суть несимметрии напряжений и ее последствия. Такое обычно происходит потому, что электроэнергию в домах потребляют неравномерно. Проще говоря, в одной квартире работает только настольная лампа, во второй в это же время одновременно – электрочайник, микроволновая печь и обогреватель, а в третьей – компьютер. Неравномерность потребления электроэнергии порождает неравенство напряжений по трем фазам, их «перекос».

Если же обратиться к научной терминологии, то можно сказать, что несимметрия напряжений выражается в неравенстве между собой модулей векторов фазных напряжений и углов сдвига между ними. Из теоретических основ электротехники известно, что несимметричную систему напряжений можно представить как геометрическую сумму трех симметричных систем напряжений: так называемых составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей [1]. Составляющая прямой последовательности является искомой, при добавлении к которой составляющих обратной и нулевой последовательностей получается несимметричная система напряжений. Основной же причиной несимметрии напряжений в сельских электрических сетях является появление составляющей нулевой последовательности, так как наличие данной составляющей обусловлено протеканием тока в нулевом проводе, который, в свою очередь, возникает при неравномерной нагрузке фаз сети – обычном явлении в сельской местности [3]. Кроме того, на уровень несимметрии напряжений оказывает влияние такой важный показатель, как величина сопротивления нулевой последовательности сети, в которую входят сопротивление нейтрального провода и сопротивление нулевой последовательности питающего силового трансформатора 10/0,4 кВ – сопротивление обмоток трансформатора протеканию токов нулевой последовательности [5].

На рисунке 1 представлены в виде блок-схемы возможные последствия несимметрии напряжений при ее наличии в сетях 0,4 кВ.

Рисунок 1 – Последствия несимметрии напряжений

Несимметрия напряжений сокращает срок службы асинхронных электродвигателей [3]. У них она может вызывать дополнительный нагрев, противодействующий вращающий момент, повышенную вибрацию. Перегрев ускоряет старение изоляции обмоток, вибрация усиливает усталостные процессы в механической части, что приводит быстрому выходу электродвигателей из строя.

Рисунок 2 – Несимметрия напряжений опасна для бытовой техники

Для однофазных потребителей проблема качества электроэнергии по уровню несимметрии напряжений оборачивается проблемой качества электроэнергии по уровню напряжения: уровень напряжения может быть как пониженный, так и повышенный. В первом случае будут проблемы с запуском в работу оборудования, проблемы с зажиганием энергосберегающих ламп и недостаточный световой поток от них, а во втором случае существует опасность поломок электрооборудования (рисунок 2) и проблема быстрого выхода строя источников освещения.

Кроме того, несимметрия напряжений вызывает дополнительные технические и коммерческие потери электроэнергии [5].

На кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Великолукской государственной сельскохозяйственной Академии (г. Великие Луки, РФ) ведутся разработки устройства симметрирования напряжений (УСН). Данное устройство предназначено для решения проблемы несимметрии напряжений в городских и сельских электрических сетях напряжением 0,4 кВ. УСН при наличии на его входе несимметричной системы напряжений, обусловленной токами нулевой последовательности, обеспечивает на выходе полностью симметричную систему напряжений, соответствующую ГОСТ 13109-97 по уровню несимметрии напряжений. Принципиальная схема устройства симметрирования напряжений представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принципиальная схема УСН

На УСН оформляется патент на изобретение (заявка № 2013133563 от 18.07.13). К сегодняшнему моменту успешно пройдена формальная экспертиза и ожидается результат экспертизы по существу.

13 декабря 2013 года в г. Псков (РФ) по результатам конкурса разработок молодых ученых «У.М.Н.И.К.-2013» на научно-исследовательский проект по устройству симметрирования напряжений был выделен грант в размере 200 тысяч рублей с возможностью получения еще 200 тысяч рублей на следующий год при успешной реализации этапов проекта. Наивысшую оценку получили актуальность идеи и научная новизна используемых технических решений. Было отмечено соответствие представленной разработки приоритетным научным направлениям в РФ. Научно-исследовательская работа по устройству симметрирования также была отмечена Дипломом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Москва) и Благодарственным письмом Государственного комитета Псковской области по экономическому развитию, промышленности и торговле с формулировкой «За актуальность идеи».

Литература:

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1967. – 776 с.

2. Гальперин, М.В. Электротехника и электроника. – М.: ФОРУМ, 2009. – 480 с.

3. Лещинская, Т.Б., Наумов, И.В. Электроснабжение сельского хозяйства. – М.: КолосС, 2008. – 655 с.

4. Никулин В.И. Теория электрических цепей. – М.: РИОР: ИНФРА-М, 2013. – 240 с.

5. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Электроснабжение: Учебное пособие. – М.: РадиоСофт, 2011. – 328 с.