Уровень энергоемкости производства важнейших отечественных промышленных продуктов выше среднемировых в 1,2 – 2 раза и выше лучших мировых образцов в 1,5 – 4 раза. Кроме того, существует проблема низкой конкурентоспособности российской промышленности из-за низкой энергетической эффективности. Поэтому при приближении внутренних цен на энергетические ресурсы к мировым российская промышленность может выжить в конкурентной борьбе только при условии значительного повышения энергетической эффективности производства [5].
Снижение к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, в том числе за счет сокращения потерь электроэнергии при её передаче к 2020 году с величины 11,6% до уровня 8,8%, – это основная задача, определенная указом Президента Российской Федерации №889 от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики» и программой стратегического топливного энергетического комплекса Российской Федерации [6].
Способом достижения этих немаловажных целей является обеспечение рационального и ответственного использования энергетических ресурсов и энергии. Сокращение потерь электроэнергии до уровня установленного нормативными документами можно добиться за счет повышения качества электрической энергии в сетях общего назначения.
Качество электрической энергии в настоящее время стало привычным и ясным понятием в области снабжения потребителей электрической энергии. Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузки на транспорте, в быту, развитие технологических установок в промышленности 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. В результате электрооборудование, рассчитанное на работу в электрической системе при определенном уровне характеристик электрической энергии, во многих случаях эксплуатируется в неэффективных режимах, что приводит к ряду отрицательных последствий [7]:
-
увеличение потерь во всех элементах системы;
-
рост потребления электроэнергии;
-
рост требуемой мощности электрооборудования;
-
сокращение срока службы (выход из строя) электрооборудования;
-
увеличение капитальных вложений в системы электроснабжения;
-
ложные срабатывания релейной защиты и автоматики;
-
сбои в работе электронных устройств управления и вычислительной техники;
-
помехи в линиях связи;
-
нарушение нормальной работы производства, брак продукции.
Одним из факторов увеличивающих потери в сетях и элементах распределения электрической энергии является несимметрия токов и напряжений.
Экономический ущерб от снижения качества электроэнергии, 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.
В сетях промышленных предприятий содержится большое количество несимметричных и нелинейных нагрузок и потребителей, чувствительных к искажениям уровня напряжений. При снижении качества напряжения ухудшаются условия работы асинхронных и синхронных двигателей, силовых трансформаторов, конденсаторных батарей, систем освещения и другого электрооборудования, что приводит к увеличению потерь активной мощности.
Рассмотрим методы оценки дополнительных потерь от несимметрии токов и напряжений в различных элементах систем электроснабжения.
К потребителям весьма чувствительным к отклонению качества напряжения относятся асинхронные и синхронные двигатели, составляющих основную долю (более 50%) в общем составе нагрузки промышленных предприятий [7].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 [4].
Даже небольшой уровень несимметрии напряжений на зажимах асинхронных двигателей, вследствие низкого сопротивления их обратной последовательности, приводит к значительному увеличению потерь активной мощности, что в свою очередь вызывает дополнительный нагрев обмоток. Дополнительные потери в электрических машинах, вызванные несимметрией напряжений можно определить по упрощенной формуле:
, (1)
где 
–коэффициент, зависящий от типа электрической машины;
– коэффициент несимметрии напряжений;
– номинальная активная мощность двигателя.
Для асинхронных двигателей коэффициент k` рассчитывается следующим образом:
(2)
где 
– безразмерный коэффициент, зависящий от параметров конкретного двигателя (номинальная мощность, потери в меди статора, кратность пускового тока).
Значение коэффициента обратно пропорционально величине номинальной мощности асинхронного двигателя. Средние значения для различных отраслей промышленности изменяются от 1,07 до 2,91, а для всей промышленности, в целом, рекомендуется принимать 
[7].
Следует отметить, что дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией напряжений, не зависят от нагрузки двигателя и определяются из выражения, с учетом (1, 2):
(3)
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:
(4)
где 
– коэффициент, зависящий от типа синхронной машины;
– коэффициент несимметрии напряжений;
– номинальная активная мощность двигателя.
Коэффициент 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 [7].
Коэффициенты и целесообразно применять для расчета результирующих дополнительных потерь активной мощности в системах с большим количеством электрических машин.
Дополнительные потери активной мощности от несимметрии режима в силовых трансформаторах вызваны протеканием в них токов обратной последовательности. Их можно определить по следующей формуле:
(5)
где
– потери холостого хода;
– потери короткого замыкания;
– напряжение короткого замыкания.
На рисунке 1 представлены зависимости дополнительных потерь мощности силовых трансформаторов с высшим напряжением 6 (10)кВ типа ТМ от номинальной мощности и уровня коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. Значения рассчитывались для стандартного ряда трансформаторов с номинальными мощностями от 25до 630 кВА. Значения коэффициента несимметрии принимались равными в диапазоне от 0 до 5%.
Рис. 1. Зависимость дополнительных потерь мощности трансформаторов серии ТМ, 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; 6 – SТ.НОМ=63кВА; 7 – SТ.НОМ=40 кВА; 8 – SТ.НОМ=25кВА
Из зависимостей на рисунке 1 видно, что при величине коэффициента несимметрии в 4% (предельно допустимый уровень) дополнительные потери относительно нормально допустимого уровня несимметрии равного 2%, увеличиваются в 4 раза.
В случае отсутствия возможности определения точных паспортных характеристик трансформаторов либо расчета для группы однородных трансформаторов, дополнительные потери активной мощности вычисляются по выражению:
(6)
где SH – номинальная полная мощность силового трансформатора;
– коэффициент, зависящий от мощности и назначения трансформатора.
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 напряжений определяется по формуле:
(7)
где 
– номинальная реактивная мощность конденсаторной установки;
– тангенс угла диэлектрических потерь.
Для батарей конденсаторов, при отсутствии данных о величине диэлектрических потерь, допустимо использовать коэффициент 
, значение которого, исходя из обработанных данных о работе групп однотипных элементов, рекомендуется принимать 
[7]. Следовательно, выражение (7) примет следующий вид:
(8)
В линиях высокого напряжения (без нулевого провода) при неучете токов нулевой последовательности дополнительные потери, вызванные только токами обратной последовательности равны:
(9)
где 
– потери в линии электропередачи в симметричном режиме;
– 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 
, учитывающего неравномерность нагрузки фаз [1]:
, (10)
где 
–сопротивления нейтрального и фазного проводов;
IA, IB, IC – измеренные токи фаз.
Для сети с изолированной нейтралью выражение для определения принимает вид:
(11)
Расчет дополнительных потерь активной мощности, вызванных отклонением показателей качества электрической энергии от нормативных параметров, представляют особый интерес [1–3]. Значения величин дополнительных потерь мощности в отдельных элементах распределительной сети в условиях несимметричного режима работы необходимы для оценки суммарной доли вышеназванных потерь в общей величине потерь и определения экономического ущерба, обусловленного снижением показателей качества электрической энергии. Без этих значений затруднительно произвести предварительные расчеты экономической целесообразности применения мероприятий по повышению качества электрической энергии.
Рецензенты:
Харламов В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г.Омск;
Черемисин В.Т., д.т.н., профессор, директор Научно-исследовательского института энергосбережения на железнодорожном транспорте (НИИЭ ОмГУПС), заведующий кафедрой «Подвижной состав электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск.