In this paper here are discussed possibilities for reduction of phase voltage
asymmetrical by transversally connected shunt symmetric components with reactive
elements, which influence the currents of zero order and improve the symmetry of phase
voltages in low voltage electrical network’s.U radu su razmotrene mogućnosti smanjenja nesimetrije faznih napona pomoću
poprečno uključenih šantiranih simetričnih komponenti sa reaktivnim elementima čime
se ustvari deluje na struje nultog redosleda i poboljšava simetrija faznih napona u
niskonaponskim električnim mrežama

Bjelic, Slobodan

Jaksic, Uros

Markovic, Nenad

Croatian

CaSA NaRA

POLJOPRIVREDNA TEHNIKA        Godina XXXIII Broj 4, decembar 2008. Strane: 9 - 15  Poljoprivredni fakultetInstitut za poljoprivrednu tehniku           UDK: 621.316.1.025    UREĐAJI SA SIMETRIČNIM KOMPONENTAMA  ZA SMANJENJE NESIMETRIJE FAZNIH NAPONA  U NISKONAPONSKIM ELEKTRIČNIM MREŽAMA   Slobodan Bjelić, Nenad Marković, Uroš Jakšić Fakultet tehničkih nauka - Kosovska Mitrovica Visoka tehnička škola strukovnih studija Uroševac - Zvečan Visoka tehnička škola strukovnih studija - Zvečan  Sadržaj: U radu su razmotrene mogućnosti smanjenja nesimetrije faznih napona pomoću poprečno uključenih šantiranih simetričnih komponenti sa reaktivnim elementima čime se ustvari deluje na struje nultog redosleda i poboljšava simetrija faznih napona u niskonaponskim električnim mrežama. Ključne reči: električna mreža, simetrične komponente, fazni napon, nesimetrija.  1. UVOD  Projektovanje i konstruisanje uređaja za poboljšanje simetrije napona u električnim mrežama je značajni činilac povećanja kvaliteta električne energije ali se u ostvarenju simetrije napona nije puno odmaklo jer u oblasti sinteze uređaja i razvoja metoda projektovanja ima još mnogo dilema. Za kompenzovanje poprečnih nesimetrija koje su posledica uključenja prijemnika sa nesimetričnim opterećenjem potrebno je na mrežu priključiti dopunske elemente. Pošto opšti metod za sintezu uređaja ne postoji ovde su predstavljeni neki od postupaka koji bi olakšali prepoznavanje mogućih šema pogodnih za ostvarenje simetrije. To su grafoanalitički metodi, metodi matričnog i tenzorskog računa koji omogućavaju da se analizira uređaj sa konfiguracijom proizvoljnog stepena složenosti [1]. Jedan od značajnijih pokazatelja kvaliteta energije je i stepen nesimetrije napona. Ispitivanja su pokazala da su u električnim mrežama fazni naponi u suštini nesimetrični a da odstupanja napona znatno prevazilaze vrednosti ±(10÷15)% nominalnog napona. Povećanje preseka provodnika i uvećanje snaga transformatora koji snižavaju napone ne dovode do željenih rezultata i nisu ekonomski opravdani. Teorijske analize pokazuju da čak i kad bi presek nultog provodnika bio beskonačno velika vrednost, to praktično ne bi imalo uticaja na smanjenje nesimetrije napona i gubitaka snage. Primena novog kombinovanog-topološkog metoda, koji je razradio autor sa saradnicima je efikasna u slučaju poznatog tipa korišćenih elemenata kad geometrijska struktura ima poznat karakter i ograničeni broj topoloških varijanti. Prosta struktura Slobodan Bjelić, Nenad Marković, Uroš Jakšić    10uređaja ima tri ulaza a njen graf obično predstavlja trougao iako se mogu koristiti i znatno složeniji uređaji za ostvarenje simetrije napona sa veoma specifičnim topološkim svojstvima elemenata. Faktor koji ugrožava kvalitet napona i povećava gubitke energije u nisko-naponskim mrežama je pomeranje neutralne tačke faznih napona i pojava napona U0. Neravnotežu napona, koja u mrežama sa nultim provodnikom znatno prevazilazi običnu nesimetriju napona, izazivaju sledeći razlozi: 1. Primena transformatora 6-10/0,4 kV, Yy0 koji imaju oko 9 puta veće vrednosti impedansi nultog redosleda od impedansi direktnog i inverznog redosleda. 2. Relativno dugi vodovi mreže 0,4 kV. 70% urbane i 90% ruralne distributivne mreže pripada niskonaponskoj mreži (60% su kablovske i 10% vazdušne mreže). Impedanse nultog redosleda mreže su četiri puta veće od impedansi direktnog i inverznog. 3. Sistemske i stohastičke nesimetrije i neuravnotežene struje izazvane A,B,C faznom nejednakošću opterećenja. 4. Nelinearni karakter jednofaznih prijemnika koji i pojava trećeg strujnog harmonika nultog redosleda koji može da dostigne i 80% vrednosti struje osnovnog harmonika [2]. Izvedena merenja u mrežama potvrđuju da pomeranje neutralne tačke i promene napona U0 na sabirnicama sekundara distributivnih transformatora u trenutku večernjeg maksimuma opterećenja iznose 3÷5% za kablovske i 5÷12% za vazdušne mreže. Statističkim metodom utvrđeno je da su minimalne vrednosti dopuštenih otklona napona, izazvanih naponom nultog redosleda, za kablovske mreže 2,7÷4,5%, a za vazdušne 4,5÷9,8%. Nesimetrija napona u mreži 0,4 kV je nezavisni faktor koji ne može da bude odstranjen pomoću postojećih tehničkih rešenja. Efikasan način za smanjenje vrednosti U0 je smanjenje impedansi nultog redosleda transformatora 0TZ . Kod novih ili rekonstruisanih mreža mogu se koristiti transformatori sa spregom Yz0 i primeniti korektori, ukoliko rekonstrukcija transformatora Yz0 zbog smanjenja 0TZ  sa spregom Yz0 dovede do povećanja gubitka [1].  2. UREĐAJ SA MINIMALNOM VREDNOŠĆU  IMPEDANSE NULTOG REDOSLEDA  Naponske nesimetrije se u opštem slučaju mogu otkloniti kroz smanjenje impedanse nultog redosleda bilo kroz potpunu (šeme klasa filtera) ili parcijalnu kompenzaciju struja nultog redosleda (šema klasa kompenzatora).  Šema prve klase-uređaji sa minimalnim impedansama nultog redosleda, šant-simetrirajući uređaji (ŠSU), omogućavaju parametarsko simetriranje faznih napona u uslovima neprekidne promene opterećenja u mreži. Filtriranje struja nultog redosleda je moguće ako se u ŠSU koriste autotransformatori/transformatori kao elementi faznog pomeranja suprotno od struja nultog redosleda redno spojenih namotaja.  Za simetrično filtriranje struje I0 neophodno je da nulti provodnik mreže bude uključen na spojnu tačku elementa za fazno pomeranje ŠSU, koji se po topološkom dijagramu poklapa sa težištem trougla linearnih napona. Uređaji sa simetričnim komponentama za smanjenje nesimetrije faznih napona u ...     11Impedansa nultog redosleda je određena parametrima kratkog spoja magnetnih kola i pri zadatoj konstrukciji može biti dovedena na vrlo male vrednosti. Impedanse direktnog i inverznog redosleda određene su impedansama magnetnih kola elemenata i imaju velike vrednosti. Moguće varijante šema ŠSU elektromagnetnog tipa date su na sl. 1. Sklop prema sl. 1.a, predstavlja T - spoj dva autotransformatora sa brojem namotaja N1 i N2.Jednačina magnetopobudnih sila za datu šemu je: 111 1 NININdI dbdbda μ=+ ; 23322 2 NININdI bbbb μ=+                   (1)  Za simetrično filtriranje struje I0 neophodno je da je: 11 32 NN d = , 232 21 NNN bb == , 131 NNdb =             (2) Uređaj na sl. 1.b je A - spoj tri autotransformatora za koga se može sprovesti isti postupak. Kada se autotransformator sa brojem navojaka N1 jednim od krajeva priključuje na fazu 2 ili 3 a drugim na srednji izvod drugog transformatora, šema se pretvara u T - spoj koji je već razmotren. Uređaj na sl. 1.c napravljen je kao trostubno magnetno kolo sa namotajem pobude a deo namotaja je povezan u cik-cak (z).  Uređaj prema sl. 1.d je ostvaren sa trožilnim magnetnim kolom i ima spregu namotaja Y (zvezda N1), D (otvoreni trougao N2). Za ovakav korektor prema izrazu (1) mora da se ispuni uslov: N1=3N2.     Sl. 1. Moguće varijante šema ŠSU elektromagnetnog tipa  Slobodan Bjelić, Nenad Marković, Uroš Jakšić    12Relativne vrednosti snaga ŠSU elektromagnetnog tipa su sledeće: Spoj na sl. 1                 a     b    c    d ,  Snaga ==∗0IUSSL 359,0  388,0  333,0  577,0                Iz ovih podataka se može zaključiti da ŠSU prema šemama c,b,a  imaju praktično istu snagu a spoj za sl. 1.d znatno veću snagu. Moguća šema regulisanog ŠSU data je na sl. 2. gde su sa Nd i N označeni brojevi namotaja odgovarajućih dopunskih i pobudnih namotaja.  Na sl. 2.a je šema u kojoj se predlaže korišćenje cikličke komutacije faza namotaja pobude a obezbeđena je trostepena regulacija napona na opterećenju. Na šemi na sl. 2.b je obezbeđena stepenasta promena broja navojaka pobude. Regulacione mogućnosti prema šemi na sl. 1a. su sledeće: Za fazu 1 se mogu napisati sledeći izrazi: AUUU 1011 += Δ , gde su U1 i ΔU1 i U10p fazni naponi izvoda napajanja, dopunskog namotaja ŠSU i opterećenja. Ako je 122 UaU = , 13 UaU ⋅=  napon na dopunskom namotaju u slučaju trofaznog uključenja namotaja pobude (n=Nd/N) koje je ostvareno pomoću tiristorskog ključa (TK) je: I. Uključenje 31 TkTk − : ( )121 333 UnnnnU+++=Δ    (3) II. Uključenje 64 TkTk − : 1221 333 UnnnnU−++=Δ    (4) III. Uključenje 97 TkTk − : ( )121 333 UnnnnU−++=Δ    (5) Iz analize izraza (3) ÷ (5) sledi da u slučaju I i III vektori napona na dopunskom namotaju i napona U1 su u istoj fazi iako je ΔU1(I) < ΔU1(III), a u slučaju II fazni stav vektora U1 i ΔU1 odgovara uglu ( )3/1arctg=α . Za date varijante su ( ) ( ) ( )IIIpIIpIp UUU 101010 << .   Sl. 2. Korišćenje cikličke komutacije faza namotaja pobude Uređaji sa simetričnim komponentama za smanjenje nesimetrije faznih napona u ...     133. PRIMENA UREĐAJA SA MINIMALNOM IMPEDANSOM  NULTOG REDOSLEDA  Efikasno smanjenje nesimetrije, regulacija napona i poboljšanje harmonijskog sastava u delu električne mreže može se ostvariti uključenjem šant-simetričnog uređaja ŠSU između tri fazna i nultog provodnika. Pošto ŠSU ima veoma malu impedansu kojom se suprotstavlja proticanju struja nultog redosleda i omogućava njihovu preraspodelu po delovima mreže, moguće je smanjenje napona nultog redosleda U0 u svim tačkama.   Sl. 3. Zamenska šema                Sl. 4. Zamenska šema  nultog redosleda mreže              nultog redosleda voda  Kao šema ŠSU može se koristiti jedna od 4 varijante na sl. 1,2 (u tu svrhu se mogu koristiti neutraleri [3]).  Na sl. 3. je predstavljena zamenska šema nultog redosleda NN mreže gde su z0T, z0c, 3z0, z0p - impedanse nultog redosleda transformatora, faznih i nultih provodnika, opterećenja, E0 - ems nultog redosleda opterećenja. Ako je opterećenje izvor nesimetrije onda je naponska jednačina nesimetrije: ( ) pcT ZIEZZZIU 00000000 3 −=++=             (6) Kada se u bilo kojoj tački mreže priključi ŠSU sa malom impedansom nultog redosleda Z0s vrednost ekvivalentne impedanse se smanji što dovodi do smanjenja U0. Broj i mesto postavljanja ŠSU u mreži biraju se po sledećem kriterijumu. Ako je nesimetrija koncentrisana ŠSU se mora postaviti što bliže izvoru nekog napajanja (priključak u zgradi). U slučaju raspodeljene nesimetrije ŠSU se postavlja po uslovu da vrednost U0 u proizvoljnoj tački mreže bude minimalna. Analiziran je 4-provodni vod (3faze+0) 4 x 35 mm2 AlČ dužine 400 m u jednom delu mreže sa trafostanicom TS sa jednim transformatorom T, snage 100 kVA, 10 kV / 0,4 kV / Yy0. Na sl. 4 je šema nultog redosleda voda gde je Z0 - pogonska impedansa petlje "3fazna provodnika" i 0 provodnik [52Ω / km], l - dužina voda, a - odstojanje od TS do mesta postavljanja ŠSU, x - odstojanje od TS do tačke NN mreže u odnosu na koju se određuje vrednost Z0. U zamenskoj šemi se ne uzima u obzir šantirano delovanje opterećenja što dovodi do nekog povećanja Z0 u poređenju sa stvarnom vrednošću. Kada je 0 ≤ x ≤  a: ( ) ( )[ ]sTsxTZaZZZZxaZZZ00000000 +++−+=          (7) Slobodan Bjelić, Nenad Marković, Uroš Jakšić    14Kada se uvedu relativne vrednosti hZZ T =00 /  i kZZ T =00 / : ( )( )hkakxaxhZZ+++−+=00      (8) Ispitivanja pokazuju da impedansa nultog redosleda transformatora T kVkVkVA 4,0/10/100  u zasićenom i nezasićenom režimu ima vrednost Ω53652,044,00 ÷=tZ . Pogonski parametri AlČ 35 mm2 provodnika su: kmY /9152,00 Ω= , kmX /32552,00 Ω= , kmZ /95752,00 Ω= .  Na sl. 5. je pokazana zavisnost Z0 = f(x) za različite slučajeve u NN mreži: kada nema ŠSU (kriva 1), sa jednim ŠSU uključenim u TS (kriva 2), sa dva ŠSU od kojih je jedan u TS a drugi ŠSU je uključen u tački a=0,5l (kriva 3) i na 0,89l (kriva 4). Analizom krivih zaključuje se da impedansa Z0 ima dovoljno veliku vrednost na krajevima (T). Kada je struja u nultom provodniku vrednost je od oko 20% nominalne, napon nultog redosleda na krajevima (T) je 13,4V ili oko 6% od nominalnog. Na krajevima (T) Yy0 nesimetrija napona iznosi oko 50% od nesimetrije na kraju magistralnog voda. Zato je najbolje mesto za postavljanje ŠSU trafostanica.   ZAKLJUČAK  Rezultati analize funkcionalnih mogućnosti prikazanih šema pokazuju da ove šeme mogu da obezbede uslove poboljšanja simetrije NN mreže.  Pri izboru mesta postavljanja minimalne impedanse nultog redosleda polazi se od uslova jednakosti maksimalne vrednosti Z0 na delu 0 ≤ x ≤ a sa vrednošću Z0 na kraju voda. Zato je za određivanje maksimalne vrednosti Z0 u oblasti 0 ≤ x ≤ a  potrebno poći od izraza za ekstremum izraza (3): ( ) 4/0max0 hkaZZ ++=           (9)  Pri tome je ( ) 2/hkax −+=  a vrednost za Z0 na mestu ŠSU biće: ( )hkahakZZ ax +++==00 /      (10)  Na delu voda  lx ≤≤0 , ( )axZZZ ax −+= = 000 / . Na kraju voda ( )alZZZ axlx −+= == 000 // .  Sl. 5. Uređaji sa simetričnim komponentama za smanjenje nesimetrije faznih napona u ...     15Kada je lxZZ == /0max0 , dobija se za naponski režim optimalno mesto postavljanja ŠSU u mreži sa raspodeljenim nesimetričnim opterećenjima: ( ) hllkhklkhhkla 244523251 222 ++++−±−−=                 (11) U datom slučaju jedno dobro mesto postavljanja ŠSU je u TS a drugo na odstojanju 0,9l = a. Kada se ŠSU postavlja bliže TS raste vrednost Z0 na kraju voda, što se vidi sa  sl. 5. Pri pomeranju tačke postavljanja bliže kraju voda vrednost Z0 raste na srednjem delu voda. Takođe ŠSU sa tiristorskim ključevima imaju mnogo bolje performanse i omogućavaju suštinsko smanjenje gubitaka snage zbog proticanja struja nultog redosleda i poboljšavaju napone po celoj dužini magistralnog voda.  LITERATURA  [1] Markovic N., Bjelic S., Jaksic U., Bogicevic Z.: Graphical zero-sequence cut-offs method of determining of fault to earth in electrical lines, neurel@galeb.etf.ac.rs 3.3.10 Power Systems, Neurel, Belgrade, (2008). [2] Bjelic S.: Introduction in middle voltage networks and low voltage instalations, BOOK, ISBN 978-86-83561-15-5, Cobiss SR-ID 14100 0204 SVEN NIS, (2007). [3] Bjelić S.: Energetski pretvarači u mrežama i instalacijama, ISBN 978-86-909183-1-7, Sven, Nis, (2007). [4] Marković N.: Analiza niskonaponske mreže gradskog područja Magistarska tema-Radna verzija, TF Čačak, (2008). [5] Jakšić U.: Razvoj postupaka za merenje električnih komponenti struja i napona u električnim mrežama, Doktorska disertacija-Radna verzija, FTN Kosovska Mitrovica, (2008).  [6] Markovic N., Bjelic S.: Reduction of phase voltages nonsymmetry, pg 473-475, 15. TELFOR, 20-22. Novembar, Beograd, (2007). [7] Bjelic S, Bogicevic Z., Markovic N.: Determination of optimal power value on the exit part of stabilizator in electrical network for public enlightening, pg 467-469, 15.TELFOR, 20-22. Novembar, Beograd (2007).   DEVICES WITH SYMETRICAL SEQUENCES FOR MINIMIZATION  OF ASYMMETRICAL PHASE VOLTAGES IN LOW VOLTAGE  ELECTRICAL NETWORKS  Slobodan Bjelić, Nenad Marković, Uroš Jakšić Fakultet tehničkih nauka - Kosovska Mitrovica Visoka tehnička škola strukovnih studija Uroševac - Zvečan Visoka tehnička škola strukovnih studija - Zvečan  Abstract: In this paper here are discussed possibilities for reduction of phase voltage asymmetrical by transversally connected shunt symmetric components with reactive elements, which influence the currents of zero order and improve the symmetry of phase voltages in low voltage electrical network’s. Key words: electrical network, symmetrical components, phase voltage, asymmetry. 

Uređaji sa simetričnim komponentama za smanjenje nesimetrije faznih napona u niskonaponskim električnim mrežama

http://arhiva.nara.ac.rs/bitstream/123456789/220/1/PT_04-2008-Bjeli%c4%87.pdf

Uređaji sa simetričnim komponentama za smanjenje nesimetrije faznih napona u niskonaponskim električnim mrežama

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

CaSA NaRA