В числе основных задач, установленных указом Президента Российской Федерации №889 от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики», стоит снижение к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40 % по сравнению с 2007 годом [1]. В числе ожидаемых результатов, указанных в стратегических программных документах долгосрочного развития топливного энергетического комплекса Российской Федерации, выделено сокращение потерь электроэнергии при её передаче к 2020 году с величины 11,6 % до уровня 8,8 %. [2].
Одним из путей достижения этих важных целей является обеспечение рационального и ответственного использования энергии и энергетических ресурсов. Сокращение потерь электроэнергии до требуемого декларативными документами уровня можно добиться, в том числе решая практически вопрос повышения качества электрической энергии в сетях общего назначения.
Дополнительным стимулом к решению задачи эффективной коррекции искаженных режимов электроснабжения являются изменения в нормативно-правовой базе, регламентирующей требования к нормам качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 22 июля 2013 г. №400-ст с 1 июля 2014 г. введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [3]. Данный стандарт укрепляет требование об обеспечении норм качества электрической энергии, установленных данным стандартом в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей. Иными словами теперь сам потребитель должен обеспечить в своих электрических сетях условия, при которых требования стандарта будут выполняться на зажимах электроприемников, при условии выполнения требований к качеству электрической энергии в точке её передачи [4].
В тоже время процесс развития электротехники и внедрение во всех сферах деятельности человека – в промышленности, на транспорте, в быту, нетрадиционных потребителей электроэнергии с несимметричным характером нагрузки приводит к ухудшению качества электрической энергии в системах электроснабжения и как следствие – к снижению эффективности работы, как самих систем электроснабжения, так и потребителей, подключенных к ним [5, 6].
Несимметрия токов и напряжений является одним из факторов увеличивающих потери в сетях и элементах распределения электрической энергии. Экономический ущерб, возникающий в результате воздействия несимметрии токов и напряжении, обусловлен ухудшением энергетических показателей и сокращением срока службы электрооборудования, общим снижением надежности функционирования электрических сетей, увеличением потерь активной мощности и потребления активной и реактивной мощностей.
Устойчивый рост цен на электроэнергию обуславливает дополнительную необходимость работ по уменьшению потерь электроэнергии как процессе ее производства и передачи потребителям, так и в процессе потребления. Поэтому актуальной остается задача оценки дополнительных потерь мощности в основных системах электроснабжения от несимметрии токов и напряжений. Располагая сведениями о величине этих потерь, можно определить способы и методы их снижения: либо ограничиться только организационными мероприятиями, либо применять специальные технические средства, снижающих уровень несимметрии в сети.
Рассмотрим методы оценки дополнительных потерь от несимметрии токов и напряжений в различных элементах систем электроснабжения.
Дополнительные потери в электрических машинах, разделяются на основные и дополнительные. Основные потери возникают в электрических машинах вследствие происходящих в них электромагнитных и механических процессов. К этим потерям относят потери в меди обмоток и в активной стали от основного потока мощности, а также механические потери [7].
Наличие на зажимах асинхронных двигателей даже небольшой несимметрии напряжений, вследствие низкого сопротивления их обратной последовательности, приводит к значительному увеличению потерь активной мощности, что в свою очередь вызывает дополнительный нагрев обмоток.
Следует отметить, что дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией напряжений, не зависят от нагрузки двигателя и определяются из выражения:
(1)
где kАД – безразмерный коэффициент, зависящий от параметров конкретного двигателя (номинальная мощность, потери в меди статора, кратность пускового тока); K2U – коэффициент несимметрии напряжений; PН – номинальная активная мощность двигателя.
В синхронной машине дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией, имеют место как в статоре, так и в роторе. Тем не менее, принято пренебрегать потерями в статоре от несимметрии напряжений, так как их величина значительно меньше потерь в обмотке ротора. Поэтому дополнительные потери мощности, могут быть определены в зависимости от коэффициента несимметрии напряжений по формуле:
(2)
где kсд – коэффициент, зависящий от типа синхронной машины; K2U – коэффициент несимметрии напряжений.
Коэффициент kсд принимает следующие значения: для турбогенераторов – 1,856; для гидрогенераторов и синхронных двигателей с успокоительной обмоткой (без успокоительной обмотки) – 0,681 (0,273); для синхронных компенсаторов – 1,31 [8].
Дополнительные потери активной мощности от несимметрии режима в силовых трансформаторах вызваны протеканием в них токов обратной последовательности. Их можно определить по следующей формуле
(3)
где ∆P Х.Х. – потери холостого хода; ∆PКЗ – потери короткого замыкания; UКЗ – напряжение короткого замыкания.
Первое слагаемое в формуле 3 на порядок меньше второго и при практических расчетах его рекомендуют не учитывать [8].
На рис. 1, в качестве примера, представлены зависимости дополнительных потерь мощности силового трансформатора от номинальной мощности и уровня коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности.
Значения рассчитывались для стандартного ряда номинальных мощностей трансформаторов SН =100, 160, 250, 400, 630 кВА. Значения коэффициента несимметрии K2U принимались равными в диапазоне от 0 до 5 %.
Рис. 1. Зависимость дополнительных потерь мощности трансформаторов, от коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности: 1 - SТ.НОМ=630 кВА; 2 - SТ.НОМ=400 кВА; 3 - SТ.НОМ=250 кВА; 4 - SТ.НОМ=160 кВА; 5 - SТ.НОМ=100 кВА
Согласно действующих нормативных актов значение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности КU2 в точке передачи электрической энергии, не должно превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю, и не должно превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Из рис. 1 видно, что при достижении коэффициентом несимметрии предельно рекомендуемого значения 4 %, дополнительные потери, относительно нормально допустимого уровня несимметрии 2 %, увеличиваются в 4 раза.
Увеличение потерь в силовых конденсаторах, вызванное искажением питающего напряжения, составляет незначительную часть в суммарных дополнительных потерях, возникающих в электрических сетях и у потребителей. Тем не менее, эти потери могут приводить к существенному возрастанию температуры конденсаторов и сокращению их срока службы.
Дополнительные потери в конденсаторной установке от несимметрии определяется по формуле
(4)
где QН – номинальная реактивная мощность конденсаторной установки; tgd – тангенс угла диэлектрических потерь.
В линиях высокого напряжения (без нулевого провода) при неучете токов нулевой последовательности дополнительные потери, вызванные только токами обратной последовательности равны:
(5)
где ΔPЛЭП – потери в линии электропередачи в симметричном режиме; K2I – коэффициент несимметрии тока по обратной последовательности.
При несимметричной нагрузке линий электропередач 0,38 кВ дополнительное увеличение потерь мощности по сравнению с симметричным режимом может быть оценено с помощью коэффициента KНЕР, учитывающего неравномерность нагрузки фаз:
, (6)
где 
rнт, rф – сопротивления нейтрального и фазного проводов; IA, IB, IC – измеренные токи фаз.
Для сети с изолированной нейтралью выражение для определения KНЕР принимает вид:
(7)
При увеличении коэффициента неравномерности токов фаз потери мощности увеличиваются (рис. 2).
Расчет дополнительных потерь активной мощности, вызванных отклонением показателей качества электрической энергии от нормативных параметров, представляют особый интерес [5, 6, 9], так эти дополнительные потери должны учитываться при формировании общего баланса предприятия, в том числе и при утверждении тарифа на передачу электрической энергии.
Рис. 2. Зависимость коэффициента дополнительных потерь мощности в электрических сетях 0,4 кВ от коэффициента неравномерности нагрузки фаз линии: 1 – четырехпроводная с нейтральным проводом (RНТ=2RФ); 2 – четырехпроводная с нейтральным проводом (RНТ=RФ); 3 – трехпроводная без нейтрального провода
Значения дополнительных потерь мощности в отдельных элементах распределительной сети, возникающих в результате воздействия несимметрии, позволяет оценить их общую величину и определить экономический ущерб, обусловленный снижением качества электрической энергии. Все это необходимо для предварительных расчетов экономической целесообразности применения мероприятий по повышению качества электрической энергии.