Проектирование фильтрокомпенсируещего устройства (ФКУ) в системе электроснабжения (СЭС)

 Министерство  науки и образовния РФ

Госсударственное  образовательное учреждение высшего  професионального образования.

 

«Омский госсударственный технический университет»

Нефтеюганский филиал

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 по дисциплине  «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОИСТВ»

 

на тему : «Проектирование  фильтрокомпенсируещего устройства (ФКУ) в системе электроснабжения (СЭС).

 

 

Вариант № 44

 

 

 

                                                                       Выполнил: студент группы ЗЭЭ-318:

                                                                           .

                

                                                        Проверил:     Кириченко А.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Нефтеюганск  – 2011.

 

Задание

 

 по дисциплине  «Проектирование электротехнических устройств»

 

                     G

 

 

 

                                            W

 

 

 

 

                    T₁

 

 

 

            T₂      

                                     M

 

 

 

 

     S_ПР

 

 

   

Рассчитать  параметры фильтро-            компенсирующего устройства (ФКУ) в системе электроснабжения промышленного предприятия. При проектировании ФКУ рассмотреть следующие вопросы:

        а) оценить возможность применения батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности на стороне НН Т₁;

б) определить параметры ФКУ на основе силового резонансного фильтра, настроенного на частоту наибольшей гармоники в спектре тока преобразователя;

в) определить оптимальные  параметры ФКУ на частоте фильтруемой гармоники.

 

 

Тип трансформатора Т1	Мощность/UК% /PКЗ тр-ра Т2	Мощность/cosφ  преобр.	Длина/ сечение  ВЛ	Фазность преобр.	Тип ЭД М	QЭ, квар
ТДН-16000/110/10	10000/14/85	10000/0,8	70/50	12	СТД-2000-2	3000

 

Задание основано на изучении актуальной для  современной энергетики проблемы ухудшения качества электрической энергии из-за искажений синусоидальной формы кривой напряжения в системах электроснабжения (СЭС).

                                           Несинусоидальность напряжения

  Несинусоидальность напряжения - искажение  синусоидальной формы кривой  напряжения.

	. Рис. 1.

Электроприёмники  с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые  преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря - выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. В настоящее время 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении. Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее. Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования  состоит в следующих отрицательных последствиях.

Фронты несинусоидального  напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, - учащаются однофазные короткие замыкания  на землю. Аналогично кабелю, пробиваются  конденсаторы.

В электрических  машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

Возрастает  недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности. Неправильно срабатывают устройства управления и защиты. Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения - частоту первой гармоники (f n=1 = 50 Гц,   f n=2 = 100 Гц,   f n=3 = 150 Гц ...).

В связи с  различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния  на работу оборудования, различают  чётные и нечётные гармонические  составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

Как правило, с  повышением частоты (номера гармонической  составляющей) амплитуда гармоники  снижается.

К основным мероприятиям по снижению несинусоидальности напряжения относятся:

1) применение оборудования с улучшенными характеристиками:  

- "ненасыщающиеся" трансформаторы;  

- преобразователи с высокой пульсностью и т.д.

2)  подключение  нелинейных нагрузок  к мощным  СЭС;

3) питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин;

4) снижение сопротивления  питающего участка сети;

5) применение  фильтрокомпенсирующих устройств  (ФКУ).

                                    Нормы качества электроэнергии, характеризующие

несинусоидальность напряжения

Для оценки несинусоидальности напряжения ГОСТ 13109-97 [ 1 ] требует учитывать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:  
  - коэффициентом искажения синусоидальности напряжения;  
   - коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения в точках общего присоединения  к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.

 

 

 

 Таблица 1.

Нормально допустимое значение при Uном , кВ				Предельно допустимое значение при Uном , кВ
0.38	6-20	35	110-330	0.38	6-20	35	110-330
8.0%	5.0%	4.0%	2.0%	12.0%	8.0%	6.0%	3.0%

 

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением Uном приведены в таблице 2.

Нормально допустимые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным злектрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице.  

Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

K_U(n)пред = 1,5 K_U(n)норм,  

где K_U(n)норм - нормально допустимые значения коэффициента  
  n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемые по таблице 2.  
                               Фильтро-компенсирующие устройства

Фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ) это многофункциональное устройство, состоящее  из пассивных L-C – элементов и предназначенное для:

компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения;

фильтрации  высших гармоник;

компенсации несимметрии  напряжений и токов трехфазной системы.

 

Таблица 2.

 

Нечетные гармоники, не кратные 3, при Uном, кВ					Нечетные гармоники, кратные 3* при Uном, кВ					Четные гармоники  при Uном, кВ
n	0.38	6-20	35	110-330	n	0.38	6-20	35	110-330	n	0.38	6-20	35	110-330
5  7  11  13  17  19  23  25  >25	6.0  5.0  3.5  3.0  2.0  1.5  1.5  1.5  0.2+  1.3x  25/n	4.0  3.0  2.0  2.0  1.5  1.0  1.0  1.0  0.2+  0.8x  25/n	3.0  2.5  2.0  1.5  1.0  1.0  1.0  1.0  0.2+  0.6  25/n	1.5  1.0  1.0  0.7  0.5  0.4  0.4  0.4  0.2+  0.2  25/n	3  9  15  21  >21	5.0  1.5  0.3  0.2  0.2	3.0  1.0  0.3  0.2  0.2	3.0  1.0  0.3  0.2  0.2	1.5  0.4  0.2  0.2  0.2	2  4  6  8  10  12  >12	2.0  1.0  0.5  0.5  0.5  0.2  0.2	.5  0.7  0.3  0.3  0.3  0.2  0.2	1.0  0.5  0.3  0.3  0.3  0.2  0.2	0.5  0.3  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2

 

L-С цепь, включенная в сеть, образует колеба-                     

 тельный  контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генерируемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует ФКУ, которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схемы ФКУ, применяемые  в сетях с U_Н= 6-10кВ

 

 

Проектирование  фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ)

в системе электроснабжения (СЭС)

 

 

1.Определяем  спектральный состав высших гармоник  тока, генерируемых преобразователем

,

где       m – фазность преобразователя

        k = 1, 2, 3, 4, 5.

      v₁₁ = 12 · 1 - 1 = 11                    v₁₂ = 12 · 1 + 1 = 13       v₂₁ = 12· 2 – 1 =23  

      v₂₂ = 12 · 2 + 1 = 25                  v₃₁ = 12 · 3 – 1 = 35         v₃₂ = 12 · 3 + 1 =37  

      v₄₁ = 12 · 4 – 1 = 47                   v₄₂ = 12 · 4 + 1 = 49        v₅₁ = 12 · 5 – 1 = 59                    

      v₅₂  = 12 · 5 + 1 = 61

2.    Определяются  действующие значения гармоник  тока генерируемых преобразователем

,

где S_пр – мощность преобразователя (кВА);

      U_нн – номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора Т₁ ППЭ (кВ).

     

       I_I = 10000/(√3 · 6,6) = 875 A

      

       I_V11 = 875/ 11= 79,5 A        I_V12 =875 / 13 = 67,3 A     I_V21 = 875 / 23 = 38 A      

       I_V22 = 875 / 25 = 35A            I_V31 = 875 / 35 = 25 A       I_V32 = 875 / 37 = 23,65A   

       I_V41 = 875 / 47 = 18,6 A      I_V42 = 875 / 49 =17,86 A

       I_V51 = 875 / 59 = 14,83 A     I_V52 = 875 / 61 = 14,34 A

3.Определяем параметры схемы замещения СЭС на частоте первой гармоники (50 Гц).

Схема замещения  СЭС на частоте 50 Гц (1-ой гармоники)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Параметры схемы замещения  определяем по паспортным данным электрооборудования по следующим формулам:

 

 

 

 

                                                                                      U_н – кВ;  S_н – кВА;  P_н, Р_кз – кВт

 

       

 

      

 

 

 

где  ;  

U_срн, U_срв – средние напряжения вторичной и первичной обмоток трансформатора T₁;

К_п – кратность пускового тока электродвигателя.

 

х_м1=

                   

                       

         

K =

=0,0035

4.Определяем параметры схемы замещения на частотах высших гармоник.

Зависимости от частоты параметров схемы замещения  определяются по формулам

                                            Схема замещения СЭС на частотах  высших гармоник