Перспективный силовой трансформатор с улучшенными характеристиками для сельских электрических сетей

Проблема обеспечения качества электрической энергии актуальна в сельских электрических сетях, что обусловлено их большой протяженностью и разветвленностью, присоединением большого количества однофазных и нелинейных нагрузок. Несимметрия электрических нагрузок вызывает несимметрию напряжений, которая отрицательно влияет на работу всех элементов электрической системы, вызывая дополнительные потери мощности, снижая срок службы электрооборудования и экономические показатели его работы, а также надежность работы отдельного электрооборудования и системы электроснабжения в целом. Уменьшение несимметрии напряжений можно обеспечить рациональным построением схемы электрической сети и применением специальных корректирующих устройств. В электроустановках агропромышленного комплекса авторы считают целесообразным применение относительно простых и надежных по конструктивному исполнению и недорогих силовых трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – двойной зигзаг с нулевым проводом» (Y/2Zн) с нулевой группой соединения обмоток. В статье рассмотрено устройство и процессы преобразования электрической энергии в трансформаторе. Доказано, что фазные ЭДС обмотки низкого напряжения совпадают по фазе с соответствующими ЭДС первичной обмотки, т. е. предлагаемая схема имеет нулевую группу соединения обмоток. Представлены результаты теоретических исследований работы трансформатора при несимметричной и нелинейной нагрузке. Уменьшение несимметрии напряжений обусловлено компенсацией составляющих нулевой последовательности. Уменьшение уровня высших гармонических составляющих напряжения происходит из-за компенсации высших гармоник кратных трем. Теоретически обосновано, что трансформатор не будет эмитировать высшие гармонические составляющие напряжений нулевой последовательности в питающую сеть. Приведены результаты экспериментов, подтверждающие, что силовой трансформатор со схемой соединения обмоток Y/2Zн поддерживает более высокий уровень симметрии напряжений при несимметричном характере нагрузки. В режиме однофазной нагрузки значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности не превышают 1,7 %, по нулевой последовательности – 2,9 %. Трансформатор позволяет получить в 1,2–1,5 раза меньшее значение суммарного коэффициента гармонических составляющих при нелинейном характере нагрузки, что является наилучшим результатом среди исследованных схем. Данный силовой трансформатор является устойчивым к воздействиям со стороны нагрузки искажающим качество напряжения и способен обеспечить высокий уровень симметрии и синусоидальности напряжения, а также параллельную работу с серийно выпускаемыми трансформаторами. Это обуславливает возможность его применения в сельских электрических сетях для снижения потерь мощности, повышения срока службы и экономичности работы электрооборудования, повышения надежности системы электроснабжения.

1. Power quality harmonics analysis and real measurements data / ed.: G.R. Rey, L.M. Muneta. – InTech, 2011. 289 p. https://doi.org/10.5772/699

2. Power quality issues / ed. A. Zobaa. – InTech, 2013. – 292 p. https://doi.org/10.5772/3373

3. Шидловский, А.К. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях / А.К. Шидловский, А.Ф. Жаркин. – Киев : Наук. думка, 2005. – 210 с.

4. Куско, А. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии / А. Куско, М. Томпсон ; пер. с англ. А.Н. Рабодзея. – М. : Додэка-ХХI, 2010. – 336 с.

5. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии : руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. – М. : ЭНАС, 2009. – 454 с.

6. Косоухов, Ф.Д. Показатели качества электрической энергии в распределительных сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками / Ф.Д. Косоухов, А.Г. Гущинский, М.В. Коломыцев // Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий : сб. науч. тр. / С.-Петерб. гос. аграр. ун-т. – СПб., 2008. – С. 24–28.

7. Шерьязов, С.К. Потери мощности в трансформаторах, вызванные нелинейной нагрузкой сельских потребителей / С.К. Шерьязов, А.В. Пятков // Достижения науки и техники АПК. – 2017. – Т. 31, №11. – С. 72–74.

8. Исследование загрузки силовых трансформаторов в системах сельского электроснабжения / И.В. Наумов [и др.] // Надежность и безопасность энергетики. – 2020. – Т. 13, №4. – С. 282–289. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2020-13-4-282-289

9. Юндин, М.А. Методики расчета дополнительных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ из-за несимметрии и несинусоидальности токов в электрической сети / М.А. Юдин, А.В. Абезин // Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий : материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 75-летию окончания Сталинград. битвы, 31 янв. – 2 февр. 2018 г. / Волгогр. гос. аграр. ун-т. – Волгоград, 2018. – Т. 2. – С. 435–441.

10. Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.

11. Time factor for determination of power supply system efficiency of rural consumers / V. Bolshev [et al.] // Handbook of research on renewable energy and electric resources for sustainable rural development / ed.: V. Kharchenko, P. Vasant. – Hershey, 2018. – P. 394–420. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-3867-7.ch017

12. А system for monitoring the number and duration of power outages and power quality in 0.38 kV electrical networks / A. Vinogradov [et al.] // Intelligent computing & optimization / ed.: P. Vasant, I. Zelinka, G.-W. Weber. – Cham, 2019. – P. 1–10. – (Advances in intelligent systems and computing ; vol. 866). https://doi.org/10.1007/978-3-030-00979-3_1

13. Fusco, G. Adaptive voltage control in power systems: modeling, design and applications / G. Fusco, M. Russo. – London : Springer, 2007. – 162 p. – (Advances in industrial control). https://doi.org/10.1007/978-1-84628-565-3

14. Синтез фильтрокомпенсирующих устройств для систем электроснабжениям / [Н.П. Боярская и др.] ; под ред. В.П. Довгуна. – Красноярск : СФУ, 2014. – 192 с.

15. Система контроля надежности электроснабжения и качества электроэнергии в электрических сетях 0,38 кВ / А.В. Виноградов [и др.] // Пром. энергетика. – 2018. – №3. – С. 14–18.

16. Голиков, И.О. Адаптивное автоматическое регулирование напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ / И.О. Голиков, А.В. Виноградов. – Орел : Орл. ГАУ, 2017. – 159 с.

17. Venkata Ramana, B. Analysis of active and passive power filters for power quality improvement under different load conditions / B. Venkata Ramana, S. Dayasagar Chowdary, G. Venkata Ratnam // Intern. J. of Advanced Research in Electrical, Electronics a. Instrumentation Engineering. – 2014. – Vol. 3, №8. – P. 11102–11115. https://doi.org/10.15662/ijareeie.2014.0308035

18. Петров, Г.Н. Электрические машины : [учебник] : в 3 ч. / Г.Н. Петров. – Изд. 3-е, перераб. – М. : Энергия, 1974. – Ч. 1. – 240 с.

19. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов / С.Б. Васютинский. – Л. : Энергия, 1970. – 432 с.

20. Юндин, М.А. О токах нечетных гармоник на вводе 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ / М.А. Юндин, А.М. Исупова, Т.З. Пономаренко // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2020. – №9. – С. 4–10.

21. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташов [и др.] : под ред. Ю.В. Шарова. – М. : Изд. дом МЭИ, 2006. – 320 с.

22. Прищепов, М.А. Особенности преобразования электрической энергии в трансформаторе со схемой соединения обмоток «звезда – двойной зигзаг с нулевым проводом» / М.А. Прищепов, В.М. Збродыга, А.И. Зеленькевич // Агропанорама. – 2017. – №5. – С. 16–25.

23. Зеленькевич, А.И. О возможности применения трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-двойной зигзаг с нулевым проводом» для повышения качества электроэнергии / А.И. Зеленькевич, М.А. Прищепов, В.М. Збродыга // Инновации в природообустройстве и защите в чрезвычайных ситуациях : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. / Сарат. гос. аграр. ун-т. – Саратов, 2018. – С. 18–21.

24. Прищепов, М.А. Работа трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-двойной зигзаг с нулевым проводом» при несимметричной нагрузке / М.А. Прищепов, В.М. Збродыга, А.И. Зеленькевич // Агропанорама. – 2018. – №6. – С. 25–31.

25. Коваленко, П.В. Потери и качество электроэнергии в системах электроснабжения при несимметрии токов и напряжений / П.В. Коваленко. – Новочеркасск : Оникс+, 2007. – 226 с.

26. Зеленькевич, А.И. Работа трансформаторов со схемами соединения обмоток «звезда-двойной зигзаг с нулевым проводом» и «звезда-зигзаг» при однофазной несимметричной нагрузке / А.И. Зеленькевич // Инновации в природообустройстве и защите в чрезвычайных ситуациях : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. / Сарат. гос. аграр. ун-т. – Саратов, 2020. – С. 23–26.

27. Прищепов, М.А. Работа трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-двойной зигзаг с нулевым проводом» при нелинейном характере нагрузки / М.А. Прищепов, В.М. Збродыга, А.И. Зеленькевич // Агропанорама. – 2018. – №1. – С. 9–19.

28. Прищепов, М.А. Экспериментальные исследования работы трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-двойной зигзаг с нулевым проводом» при несимметричной нагрузке / М.А. Прищепов, А.И. Зеленькевич, В.М. Збродыга // Агропанорама. – 2019. – №5. – С. 38–41.