Calculation of resonant modes in electric networks in case of sources of higher harmonics

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Subject of research: resonant modes in electrical networks 35/6/0.4 kV of oil producing enterprises.

Purpose of research: calculation of frequencies at which the occurrence of resonant modes is possible, determination of the multiplicity of overvoltages in the nodes of the electrical network.

Object of research: distribution electrical networks 35/6 kV, groups of non-linear electrical receivers 0.4 kV, which are sources of harmonic distortion.

Main results of research: a method for calculating resonant modes in the presence of sources of higher harmonics is presented. The frequencies at which the occurrence of resonances is possible are determined; for each voltage class, the multiplicity of arising overvoltages is determined. Physical measurements of non-sinusoidality levels were carried out using certified equipment. Based on a comparison of the calculation results and the actual level of higher harmonics in the electrical network, a technically sound decision is made to install filter-compensating devices to suppress higher harmonics and prevent an emergency.

Full Text

Введение

Качество электрической энергии влияет на размещение БСК в узлах систем электроснабжения. При наличии в системах электроснабжения крупных нелинейных нагрузок может произойти перегрузка конденсаторных батарей в присутствии токов высших гармоник питающей сети [6].

В частности, при наличии широкого спектра высших гармоник в кривой питающего напряжения может возникнуть режим резонанса на частотах, близким к частотам одной или нескольких высших гармоник, содержащихся в питающей сети. Возникающие резонансные режимы производят эффект усиления влияния высших гармоник на работу электрооборудования в частности, на БСК, усугубляя их перегрузку токами гармоник [5, 7]. В конечном счете, такая токовая перегрузка отрицательно сказывается на сроках эксплуатации конденсаторов, что приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя конденсаторных батарей.

В работе [1] предложена и апробирована на практике авторская методика по определению резонансных режимов в узлах сети и порядков высших гармоник, на которых этот режим может возникнуть.

Авторы работы [4] провели исследование, доказавшее, что причиной периодических отключений и перегрузок БСК в системе электроснабжения ОАО «Ачинский НПЗ ВНК» было возникновение режима резонанса в контуре «БСК–понижающие трансформаторы 6/0,4 кВ».

Резонансные режимы могут возникнуть при изменении конфигурации СЭС, подключении (отключении) БСК, линий электропередачи, изменения нагрузки. Резонансные режимы могут существовать не только на высших гармоник, рекомендуемых для учета согласно ГОСТ 32144-2013, но и на частотах высокого порядка (n>40). В работе [2] авторами было проведено исследование, которое показало существование резонансных на частотах выше 40-й гармоники.

Результаты и обсуждение

Произведем расчет резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ, питающей объекты нефтедобычи в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре. Схема исследуемой сети представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Схема исследуемой электрической сети

 

На исследуемом объекте к шинам 0,4 кВ подключена нагрузка, питаемая через преобразователи напряжения. Для оценки возможности существования резонансных режимов (резонанса токов) в исследуемой системе на основании имеющейся схемы электрической сети составим схему замещения. Схема замещения исследуемой электрической сети приведена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Схема замещения участка электрической сети

 

На основании полученной схемы замещения, параметров трансформаторов, линий электропередачи и нагрузок составим уравнение в операторной форме для расчета режима по методу узловых потенциалов. Перед выполнением процедуры свертки схемы замещения представим реактивные сопротивления (индуктивные и емкостные) в операторной форме.

Индуктивное сопротивление в операторной форме имеет следующий вид:

XL(p)=pL,                                           (1)

емкостное сопротивление выражается формулой:

XC(p)=1pC.                                          (2)

Далее необходимо произвести операцию свертки правой части схемы замещения относительно узлов «2» и «0». Рассмотрим в качестве примера первый этап преобразования схемы замещения. Параллельно нагрузке 0,4 кВ (представлена активно-индуктивной ветвью схемы замещения – Rн, Xн) подключена батарея статических конденсаторов, предназначенная для компенсации реактивной мощности (представлена емкостным сопротивлением XС5). Результирующее сопротивление этого участка сети по правилу параллельного соединения элементов в операторной форме будет равно:

Z6=1pC5(RН+pLН)1pC5+RН+pLН=RН+pLН1+pC5RН+p2C5LН                (3)

Дальнейшие действия, направленные на преобразование схемы замещения электрической сети, будут выполняться аналогично с применением правил преобразования последовательно и параллельно соединенных ветвей.

В результате преобразования правая часть схемы замещения будет представлять собой одно эквивалентное сопротивление (ZЭКВ) в операторной форме. Левая часть схемы замещения содержит следующие элементы: активное (RАТ) и индуктивное (XАТ) сопротивления автотрансформатора, установленного на подстанции 1 (ПС 1), активное (RПВ), индуктивное (XПВ) сопротивления и емкость (C1) ЛЭП, связывающей ПС 1 и секции шин (СШ) распределительного пункта (РП), активное (RИ) и индуктивное (XИ) сопротивления источника высших гармоник и источник питания (E50). Полученная схема замещения представлена на рисунке 3, а параметры её элементов – в таблице 1.

 

Рисунок 3 – Схема замещения после ряда эквивалентных преобразований

 

Таблица 1

Параметры элементов схемы замещения

RАТ, Ом

XАТ, Ом

RПВ, Ом

XПВ, Ом

C1, Ф

0,024

5,949∙10-3

2,531

0,014

8,593∙10-6

 

Система уравнений, составленная по методу узловых потенциалов для рассматриваемой схемы (рисунок 3), имеет вид:

ϕ1(YАТ+YПВ+YС1)ϕ2YПВ=0ϕ2(YПВ+YВТ+YИ)ϕ1YПВϕ3YВТ=EИYИϕ3(YВТ+Y35+Yc2)ϕ2YВТϕ4Y35=0ϕ4(Y35+Y6+YC3)ϕ3Y35ϕ5Y6=0ϕ5(Y6+Y04+YC4)ϕ4Y6ϕ6Y04=0ϕ6(Y04+YН+YC5)ϕ5Y04=0              (4)

Графические зависимости кратности перенапряжения от частоты для различных классов напряжения представлены на рисунках 4–7. Максимальные кратности перенапряжения (KU), частоты, на которых возможен режим резонанса (f) и порядок ВГ, на частотах которых возможен резонанс (n) при различных классах напряжения (U) (в различных точках рассматриваемой сети), представлены в таблице 2.

 

Рисунок 4 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 110 кВ)

 

Рисунок 5 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 35 кВ)

 

Рисунок 6 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 6 кВ)

 

Рисунок 7 – Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 0,4 кВ)

 

Таблица 2

Высшие гармоники, в окрестности которых возможен резонанс

U, кВ

KU, о.е.

f, Гц

N

110

0,821

638

13

537

11

844

17

35

2,905

638

13

258

5

537

11

844

17

6

2,1

638

13

537

11

844

17

0,4

1,97

258

5

537

11

638

13

 

Из таблицы 2 и графиков (рисунки 4–7) видно, что резонансный режим будет наблюдаться при частотах 258 Гц (5 гармоника), 537 Гц (11 гармоника), 638 Гц (13 гармоника) и 844 Гц (17 гармоника). Иными словами, при наличии нелинейной нагрузки, генерирующей 5, 11, 13 и 17 гармонику в сеть, будет наблюдаться режим резонанса.

Для оценки необходимости фильтрации высших гармоник в исследуемой системе электроснабжения (рис. 1) были проведены физические измерения показателей качества электроэнергии. Измерения производились в соответствии с действующей нормативной документацией. Были использованы приборы Fluke 435 и Metrel 2792А. Измерения производились на СШ 6 кВ, осциллограмма и спектральный состав напряжений приведены на рисунках 8 и 9 соответственно.

 

Рисунок 8 – Осциллограмма напряжений на СШ 6 кВ

 

Рисунок 9 – Спектральный состав сигнала напряжения на СШ 6 кВ

 

Результаты измерений показывают, что в сети 6 кВ присутствуют гармоники, на которых возможен режим резонанса и опасные перенапряжения. Для защиты электрических сетей и уменьшения влияния высших гармоник в данном случае необходимо применение фильтров [3].

Заключение и выводы

  1. В электрических сетях нефтедобывающих предприятий постоянно растет доля электрических нагрузок, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику, что, в конечном счете, является причиной появления высокочастотных составляющих (высших гармоник) тока и напряжения. Высшие гармоники приводят к перегрузке токоведущих частей, а для батарей статических конденсаторов – могут стать причиной преждевременного выхода из строя или даже физического разрушения.
  2. В работе представлена методика расчета резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ. Основные источники гармонических искажений представлены на классе напряжения 0,4 кВ. Такими источниками являются станции управления погружными электродвигателями. Существенная доля нелинейной нагрузки 0,4 кВ вызывает искажения несинусоидальности на стороне 6 кВ. При этом возможны двукратные перенапряжения.
  3. В работе представлены зависимости кратности перенапряжений от частоты, что позволило определить резонансные частоты, способные нанести ущерб электрооборудованию. Результат физических измерений показателей качества электроэнергии с применением сертифицированного оборудования, показал наличие высших гармоник, способных привести к резонансу в электрической сети.

Результаты работы могут быть использованы для расчета режимов электрических сетей на стадии проектирования или при планировании установки технических устройств по фильтрации высших гармоник в распределительных сетях 0,4-6 кВ.

×

About the authors

Vladimir A. Oshchepkov

Omsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: energoowa@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Omsk

Jana Yu. Logunova

Limited Liability Company "RN-Yuganskneftegaz"

Email: jana_logunova@mail.ru

Leading Specialist of the Department of Planning, Accounting and Sales of Energy Resources

Russian Federation, Nefteyugansk

References

  1. Коверникова, Л. И. Один из подходов к поиску резонансных режимов на высших гармониках / Л. И. Коверникова, С. С. Смирнов. – Текст : непосредственный // Электричество. – 2005. – № 10. – С. 62–69.
  2. Николаев, А. А. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия / А. А. Николаев, Г. П. Корнилов, Т. Р. Храмшин, Г. Никифоров, Ф. Ф. Муталлапова. – Текст : непосредственный // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. – 2016. – Т. 14, № 4. – С. 96–105.
  3. Расчет резонансных режимов систем электроснабжения и разработка мероприятий по фильтрации высших гармоник / В. А. Ощепков [и др.]. – Текст : непосредственный // Промышленная энергетика. – 2018. – № 9. – С. 10–16.
  4. Павлов, И. В. Изучение электромагнитной совместимости конденсаторных установок в системе электроснабжения ОАО «Ячинский НПЗ ВНК» при наличии высших гармоник / И. В. Павлов, О. А. Дружинин, Д. А. Скакунов, В. П. Твердохлебов, Ф. А. Бурюкин. – Текст : непосредственный // Технологии нефти и газа. –2011. – № 1. – С. 41 43.
  5. Atkinson-Hope, G. Decision theory process for making a mitigation decision on harmonic resonance / G. Atkinson-Hope, K. A. Folly // IEEE Transactions on Power Delivery. – Vol. 19, Issue 3. – Рp.1393-1399, July 2004. – doi: 10.1109/TPWRD.2004.829142.
  6. Osipov, D. S. Calculation of currents resonance at higher harmonics in power supply systems based on wavelet packet transform / D. S. Osipov, D. V. Kovalenko, N. N. Dolgikh // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) (14–16 Nov, 2017) // IEEE Conference Publications. Omsk, Russia. – doi: 10.1109/Dynamics.2017.8239492.
  7. Huang, Z. A practical harmonic resonance guideline for shunt capacitor applications / Z. Huang, W. Xu, V. R. Dinavahi // IEEE Transactions on Power Delivery. – Vol. 18, Issue 4. – Рp.1382-1387, Oct 2003. – doi: 10.1109/TPWRD.2003.817726.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1 - Scheme of the investigated electrical network

Download (158KB)
3. Figure 2 - Scheme of substitution of a section of the electrical network

Download (86KB)
4. Figure 3 - Equivalent circuit after a series of equivalent transformations

Download (46KB)
5. Figure 4 - Dependence of the overvoltage ratio on frequency (voltage class 110 kV)

Download (152KB)
6. Figure 5 - Dependence of the overvoltage ratio on frequency (voltage class 35 kV)

Download (136KB)
7. Figure 6 - Dependence of the overvoltage ratio on frequency (voltage class 6 kV)

Download (121KB)
8. Figure 7 - Dependence of the overvoltage ratio on frequency (voltage class 0.4 kV)

Download (125KB)
9. Figure 8 - Oscillogram of voltages on the SS 6 kV

Download (200KB)
10. Figure 9 - Spectral composition of the voltage signal on the SS 6 kV

Download (93KB)

Copyright (c) 2023 Yugra State University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».