Причины падения качества электрической энергии. Причины ухудшения качества электроэнергии Причины нарушения качества электроэнергии в системах энергоснабжения

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Для самостоятельной работы студентов

ИВАНОВО 2010

Составители: О. А. Бушуева

Е. В. ТЮТИКОВА

Редактор М. И. Соколов

Методические указания предназначены для студентов специальностей 140205, 140211, а также могут быть полезны студентам других специальностей, изучающим дисциплину «Электроснабжение».

Утверждены цикловой методической комиссией ЭЭФ.

Рецензент

кафедра электрических систем ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания

для самостоятельной работы студентов

Составители: Бушуева Ольга Александровна

Тютикова Екатерина Владимировна

Редактор Н. Б. Михалева

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Печать плоская. Усл. печ. л. 2,09. Тираж 200 экз. Заказ

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

153003, Иваново, ул. Рабфаковская, 34

Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ

Введение 4

Проблема качества электроэнергии 4

Характеристика основных показателей качества

Электроэнергии 5

Расчет отклонений напряжения и

Оценка его допустимости 8

Оценка допустимости колебаний напряжения 10

Несинусоидальность напряжения. Расчет

Коэффициента искажения синусоидальности кривой

Напряжения и оценка его допустимости 15

Несимметрия напряжения. Расчет коэффициента

Несимметрии напряжения по обратной последовательности

И оценка его допустимости. 20

Задачи для самостоятельного решения 25

8. Контрольные вопросы 35

Библиографический список 37

Введение

Целью данных методических указаний является приобретение необходимых теоретических знаний и практических навыков проведения расчетов показателей качества электрической энергии, выполняемых при изучении темы “Качество электрической энергии”. Данная тема изучается студентами специальности 140205 в дисциплине “Специальные вопросы энергосистем”, а студентами специальности 140211 в дисциплине “Системы электроснабжения”.

Методические указания содержат необходимый теоретический материал и расчеты, которые проводятся при проектировании и эксплуатации электрических сетей различного назначения.

Указания окажут помощь студентам при подготовке к практическим занятиям, а также к междисциплинарному итоговому экзамену по специальности.

Проблема качества электроэнергии

Широкое применение в промышленности мощных нелинейных, несимметричных и резко изменяющихся нагрузок, способных существенно искажать основные характеристики электрической энергии, вызывает проблему электромагнитной совместимости электрооборудования и электрических сетей. Под электромагнитной совместимостью понимается способность потребителей электрической энергии нормальнофункционировать и не вносить в электрическую сеть недопустимых искажений, затрудняющих работу других потребителей.

При плохой электромагнитной совместимости, в первую очередь, снижается качество электрической энергии. Системы электроснабжения и электроприемники выполняют такими, чтобы наилучшее функционирование достигалось при питании их от однофазной или симметричной трехфазной системы напряжением заданной амплитуды и синусоидальной формы частотой 50 Гц. Однако в реальных электрических сетях в результате различных электромагнитных помех происходят отклонения от этих идеальных параметров, что приводит к ухудшению работы установок потребителей электроэнергии, проявляющемуся в технико-экономическом ущербе.

Пониженное качество электроэнергии оказывает негативное влияние как на работу отдельных электроприемников, так и на нормальное функционирование энергосистемы в целом. При снижении качества электроэнергии в электрических сетях имеют место следующие отрицательные последствия:

увеличение потерь электроэнергии во всех элементах электрической сети;
перегрев вращающихся машин, ускоренное старение изоляции, сокращение срока службы или выход из строя электрооборудования;
рост потребления электроэнергии и необходимой мощности электрооборудования;
нарушение работы и ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики;
помехи в работе теле- и радиоаппаратуры, сбои электронных систем управления и вычислительной техники;
отрицательное влияние на линии связи и устройства автоблокировки на железных дорогах;
ухудшение показателей хозяйственной деятельности промышленных предприятий и т.д.

Наличие электрических связей между энергосистемами значительно расширяет зону отрицательного влияния снижения качества электроэнергии, обостряя тем самым проблему электромагнитной совместимости. Появилась необходимость оценивать и контролировать качество электроэнергии не только в данной точке присоединения потребителя к энергоснабжающей организации, но и в различных удаленных точках электрической сети.

Невнимание к качеству электроэнергии в процессе эксплуатации электрических сетей приводит к прогрессирующему расстройству электроснабжения потребителей и нарушениям работы электроприемников. Поэтому изучение вопросов оценки качества электроэнергии в различных точках электрической сети является важной задачей при подготовке инженеров электриков.

Основная масса электрического и электронного оборудования предусматривает работу от источника питания с определенными характеристиками, которые определяют минимальные и максимальные границы для среднеквадратического напряжения и частоты.

Пользователь в свою очередь надеется, что питание будет всегда непрерывным и в пределах погрешности. Поставщик этого не гарантирует, а при демократичной цене этого достичь практически невозможно.

Качество электропитания невозможно оценить заранее, т.к. оно проходит через несколько трансформаторов, много километров линий электропередач и смешивается с выходными параметрами других генераторов.

Понятие «хорошее качество электроэнергии» может быть использовано для описания постоянно поступающего электропитания в пределах допустимого отклонения напряжения и частоты и чистой синусоидальной волны.

«Плохое качество электроэнергии» описывает питание, которое отклоняется от норм, играет ли отклонение важную роль, зависит от цели установки, конструкции оборудования и установки.

Самые важные причины плохого качества электроэнергии подразделяются на две категории, описанные ниже.

Проблемы качества энергосистемы
Проблемы , связанные с установкой и нагрузкой

Четких границ между этими двумя категориями нет, т.к. помехи, вызванные с оборудованием на одной площадке, могут стать причиной поломки или повреждения оборудования на другой площадке. Например, сильная нагрузка от дуговых печей на производстве или в небольшом хозяйстве может вызвать при включении провал напряжения у нескольких соседних пользователей.

Результатом может быть полное отключение компьютерной сети, вызывающее более масштабный сбой, чем ожидает пользователь.

1. Проблемы качества энергосистемы

Обрыв электропитания

Полное отключение электропитания длительностью более минуты, вызванное выработкой или распределением электроэнергии, поломкой на подстанции, обрывом линии электропередач или распределением нагрузки в процессе перегрузки системы. Последствием является полное отключение подстанции.

Примеры обрывов электропитания

Временное прерывание

Отключение электропитания длительностью менее минуты, обычно вызванное устройством автоматического повторного включения, возобновляющим электропитание после временных прерываний. Компьютеры и оборудование связи отключаются, а при этом происходит потеря данных. Перезапуск может занять несколько минут, а восстановление данных может занять больше времени.

Переходные процессы

Резкие скачкообразные всплески напряжения, наложенные на напряжение электропитания. Могут быть вызваны несколькими факторами, включая остаточные явления от ударов молнии, от включения конденсаторов для компенсации реактивной мощности, а также включения индуктивной нагрузки.

Осциллограмма импульса напряжения

Недостаточное напряжение или перенапряжение

Долговременное резкое превышение расчетных параметров, вызванное поломкой переключателей ответвлений. При преднамеренном снижении напряжения для уменьшения нагрузки может стать причиной нестабильной работы оборудования, в том числе перезагрузки компьютеров, выхода из строя электромагнитных клапанов и перегревов двигателей с беличьей клеткой. Перенапряжение может стать причиной постоянного повреждения различного электрического и электронного оборудования.

Провалы или скачки напряжения

Кратковременные колебания напряжения, выходящие за рамки норм и вызванные включением или выключением мощных нагрузок, например больших моторов. В экстремальных условиях провалы напряжения могут стать причиной отключения оборудования, а скачки напряжения причиной поломок.

Асимметрия напряжения

Асимметрия фазного напряжения трехфазного электропитания по причине дифференциальной нагрузки фаз, что влет за собой появление циркулирующего ток (и перегрев) трансформаторов, а также пониженную эффективность работы трехфазных моторов.

Мерцания

Периодические колебания электропитания, вызванные изменениями циклической нагрузки, например, от работы системы приводов с переключающимися циклами. Результатом становится мерцание освещения

Гармонические колебания

Изменение напряжения, вызванное нелинейными нагрузками. Результатом становится перегрев из-за повышенного завихрения и гистерезисной потери в трансформаторах, перегрев и уменьшенный крутящий момент в моторах, а также перегрев в нулевых проводах и конденсаторах для компенсации реактивной мощности.

Искаженный сигнал, изображенный в виде ряда Фурье

Некоторые из дефектов, такие как прерывания и мерцания, пользователь замечает сразу, в то время как другие проявляются своим воздействием на оборудование и подстанции. Устойчивость оборудования к сбоям можно повысить несколькими способами.

Хотя данные проблемы и классифицируются как проблемы электропитания, причиной могут служить проблемы на площадке пользователя.

2. Установка и проблемы, связанные с нагрузкой

Существуют три основные проблемы с установками:

Токи утечки на землю
Провалы и скачки напряжения

Гармонические токи

Гармонические токи возникают из-за растущего преобладания используемых нелинейных нагрузок и вызывают проблемы в проводке, трансформаторах и моторах. Использование гармонических токов из сети электропитания налагает искажение на форму кривой напряжения, что при отсутствии проверки может стать причиной проблем для других пользователей электросети. Таким образом, устанавливаются рамки для дозволенной амплитуды основных гармоник.

Токи утечки на землю

Токи утечки на землю возникают из-за самого современного электронного оборудования.

Для отдельных единиц ток достаточно мал, часто менее 3.5мА, но что касается, например компьютеров, ток может быть достаточно большим. В дополнение ко всему существует значительный высокочастотный компонент в токе утечки, появляющийся в результате фильтрации переходных процессов в энергоблоках.

Основные системы заземления были созданы для функционирования в качестве защитного заземления (т.е. для обеспечения низко-импедансного тракта для тока короткого замыкания, для обеспечения защиты от перегрузки по току), а не для того чтобы справляться с постоянными токами утечки, особенно при высокой частоте. Высокая чувствительность к шумам от современных компьютеров и оборудования систем связи наложила дополнительные требования на систему заземления.

Провалы и скачки напряжения

Основные дефекты от отклонений напряжения приписываются к проблемам с электропитанием, но это не всегда является причиной.

Переключение тяжелых нагрузок, таких как большие моторы и дуговые печи, становятся причиной провалов напряжения и если нагрузка является индуктивной, то и переходных электрических перенапряжений. Провалы могут длиться несколько секунд, пока оборудование набирает скорость, становясь источником проблем для чувствительного к напряжению оборудования. Такие переходные перенапряжения могут вызывать поломку электронного оборудования, а посредством индуктивной связи с линией передачи данных и ошибки в обработке данных на компьютерах и системах связи.

В обстоятельствах, когда используются конденсаторы компенсации реактивной мощности, может возникнуть резонанс с индуктивным сопротивлением электропитания, что приводит к поломке конденсаторов.

Практические решения включают в себя отделение одной энергосистемы от другой и использование проводов с хорошей площадью поперечного сечений.

Определенные решения могут оказаться полезными когда источник проблемы не находится под контролем клиента.

В любом случае, использование превентивных мер на практике является наилучшим выбором.

В соответствии с ГОСТ 13109-87 различают основные и дополнительные показатели качества электроэнергии.

К основным показателям качества электроэнергии , определяющим свойства электрической энергии, которые характеризуют ее качество, относятся:

1) отклонение напряжения (δU , %);

2) размах изменения напряжения (δU t, %);

3) доза колебаний напряжений (ψ , %);

4) коэффициент несинусоидальности кривой напряжения (k нсU , %);

5) коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка (kU(n ), %);

6) коэффициент обратной последовательности напряжений (k 2U , %);

7) коэффициент нулевой последовательности напряжений (k 0U , %) ;

8) длительность провала напряжения (Δt пр, с) ;

9) импульсное напряжение (U имп, В, кВ) ;

10) отклонение частоты (Δf , Гц).

Дополнительные показатели качества электроэнергии , представляющие собой формы записи основных показателей качества электроэнергии и используемые в других нормативно-технических документах:

1) коэффициент амплитудной модуляции напряжений (k мод);

2) коэффициент небаланса междуфазных напряжений (k неб.м);

3) коэффициент небаланса фазных напряжений (k неб.ф).

Отметим допустимые значения названных показателей качества электроэнергии, выражения для их определения и области применения. В течение 95% времени суток (22,8 ч) показатели качества электроэнергии не должны выходить за пределы нормально допустимых значений, а в течение всего времени, включая поелсаварийные режимы, они должны находиться в пределах максимально допустимых значений.

Контроль качества электроэнергии в характерных точках электрических сетей осуществляется персоналом предприятия электрических сетей. При этом длительность измерения показателя качества электроэнергии должна составлять не менее суток.

Отклонения напряжения

Отклонение напряжения это один из самых важных показателей качества электроэнергии. Отклонение напряжения находится по формуле

δU t = ((U(t) - Un)/Un) х 100%

где U(t) - действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, или просто действующее значение напряжения (при коэффициенте несиннусоидальности, меньшем или равном 5%), в момент времени t , кВ; Un - номинальное напряжение, кВ.

Величина U t = 1/3 (U AB(1) + U BC(1) + U AC(1)) , где U AB(1) ,U BC(1) , U AC(1) - действующие значения междуфазных напряжений основной частоты.

Из-за изменения нагрузок во времени, изменения уровня напряжений и других факторов изменяется величина падения напряжения в элементах сети и, следовательно, уровень напряжения U t. В результате оказывается, что в различных точках сети в один и тот же момент времени, а в одной точке - в разные моменты, отклонения напряжения различны.

Нормальная работа электроприемников вестях напряжением до 1 кВ обеспечивается при условии, что отклонения напряжения на их входе равны ±5% (нормальное значение) и ±10% (максимальное значение). В сетях напряжением 6 - 20 кВ устанавливается максимальное отклонение напряжения ±10%.

Мощность, потребляемая лампами накаливания, прямо пропорциональна подведенному напряжению в степени 1,58, световая отдача ламп - в степени 2,0, световой поток - в степени 3,61, срок службы ламп - в степени - 13.57. Работа люминесцентных ламп от отклонения напряжений зависит меньше. Так срок их службы изменяется на 4% при отклонении напряжения на 1%.

Снижение освещенности рабочих мест происходит при уменьшении напряжения, что приводит к снижению производительности труда работающих и ухудшению их зрения. При больших снижениях напряжения люминесцентные лампы не загораются или мигают, что приводит к сокращению срока их службы. При повышении напряжения срок службы ламп накаливания резко снижается.

От уровня напряжения зависит скорость вращения асинхронных электродвигателей и, следовательно, их производительность, а также потребляемая реактивная мощность. Последнее отражается на величине потерь напряжения и мощности на участках сети.

Снижение напряжения приводит к увеличению длительности технологического процесса в электротермических и электролизных установках, а также к невозможности устойчивого приема в коммунальных сетях телевизионных передач. В последнем случае применяются так называемые стабилизаторы напряжения, которые сами потребляют значительную реактивную мощность и у которых имеются потери мощности в стали. На их изготовление расходуется дефицитная трансформаторная сталь.

Для обеспечения требуемого напряжения на шинах низкого напряжения всех ТП рименяют так называемое встречное регулирование напряжения в центре питания. Здесь в режиме максимальных нагрузок поддерживается максимально допустимое напряжение на шинах ЦП, а в режиме минимальных нагрузок - минимальное напряжение.

При этом должно применяться и так называемое местное регулирование напряжения в каждом трансформаторном пункте путем установки переключателя ответвлений распределительных трансформаторов в соответствующее положение. В сочетании с централизованным (в ЦП) и указанным местным регулированием напряжения применяются регулируемые и нерегулируемые конденсаторные установки, также относящиеся к средствам местного регулирования напряжения.

Размах изменения напряжения

Размах изменения напряжения представляет собой разность между амплитудными или действующими значениями напряжения до и после одиночного изменения напряжения и определяется по формуле

δUt = ((U i - U i+1)/√2U н) х 100%

где U i и U i+1 - значения следующих друг за другом экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей амплитудных значений напряжения.

К размахам изменения напряжения относят одиночные изменения напряжения любой формы с частотой повторения от двух раз в минуту (1/30 Гц) до одного раза в час, имеющие среднюю скорость изменения напряжения более 0,1% в секунду (для ламп накаливания) и 0,2% в секунду для остальных приемников.

Быстрые изменения напряжения вызываются ударным режимом работы двигателей металлургических прокатных станов тяговых установок железных дорог, луговых сталеплавильных печей, сварочной аппаратуры, а также частыми пусками мощных короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, когда их пусковая реактивная мощность составляет несколько процентов мощности короткого замыкания.

Число изменений напряжения в единицу времени, т. е. частота изменения напряжения, находится по формуле F = m/T , где m - число изменений напряжения за время Т, Т - общее время наблюдения размахов напряжения.

Основные требования, предъявляемые к колебаниям напряжения, обусловливаются соображениями защиты зрения человека. Установлено, что наибольшая чувствительность глаза к мерцанию света находится в области частоты, равной 8,7 Гц. Поэтому для ламп накаливания, обеспечивающих рабочее освещение при значительных зрительных напряжениях, размах напряжения допускается не более 0,3%, для ламп накачивания в быту - 0,4%, для люминесцентных ламп и других электроприемников - 0,6.

Допускаемые размахи колебаний приведены на рис. 1.

Рис. 1. Допустимые размахи колебаний напряжения: 1 - рабочее освещение лампами накаливания при большом зрительной напряжении, 2 - бытовые лампы накаливания, 3 - люминесцентные лампы

Область I соответствует работе насосов и бытовых приборов, II - кранов, подъемников, III - дуговых печей, ручной контактной сварке, IV - работе поршневых компрессоров и автоматической контактной сварке.

Для снижения размаха изменения напряжения в осветительной сети применяют раздельное питание приемников осветительной сети и силовой нагрузки от разных силовых трансформаторов, продольную емкостную компенсацию питающей сети, а также синхронные электродвигатели и искусственные источники реактивной мощности (реакторы или конденсаторные батареи, ток которых формируется с помощью управляемых вентилей для получения требуемой реактивной мощности).

Доза колебаний напряжения

Доза колебаний напряжения идентична размаху изменения напряжения и в действующих электрических сетях вводится по мере их оснащения соответствующими приборами. При использовании показателя "доза колебаний напряжения" оценка допустимости размаха изменения напряжения может не производиться, так как рассматриваемые показатели взаимозаменяемы.

Доза колебаний напряжения также представляет собой интегральную характеристику колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение из-за миганий света в диапазоне частот от 0,5 до 0,25 Гц.

Допустимое максимальное значение дозы колебаний напряжения (ψ, (%) 2) в электрической сети, к которой присоединяются осветительные установки, не должно превосходить: 0,018 - с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение; 0,034 - с лампами накаливания во всех других помещениях; 0,079 - с люминесцентными лампами.

Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения

При работе в сет мощных выпрямительных и преобразовательных установок, а также дуговых печей и установок для сварки, т. е. нелинейных элементов, происходит искажение кривых тока и напряжения. Несинусоидальные кривые тока и напряжения представляют собой гармонические колебания, имеющие различные частоты (промышленная частота - это низшая гармоника, все остальные по отношению к ней - высшие гармоники).

Высшие гармоники в системе электроснабжения вызывают дополнительные потери энергии, сокращают срок службы косинусных конденсаторных батарей, электродвигателей и трансформаторов, приводят к трудностям при наладке релейной защиты и сигнализации, а также эксплуатации электроприводов с тиристорным управлением и т. д.

где N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих, Un - действующее значение n -й (n = 2, ... N ) гармонической составляющей напряжения, кВ.

Нормальные и максимальные допустимые значения k нсU не должны соответственно превышать: в электрической сети напряжением до 1 кВ - 5 и 10%, в электрической сети 6 - 20 кВ - 4 и 8%, в электрической сети 35 кВ - 3 и 6%, в электрической сети 110 кВ и выше 2 и 4%.

Для снижения высших гармоник применяются силовые фильтры, представляющие собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на определенную гармонику. С целью исключения гармоник низших частот применяют преобразовательные установки с большим числом фаз.

Коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка

Коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка представляет собой отношение действующего значения n -й гармонической составляющей напряжения к действующему значению напряжения основной частоты, т. е. kU(n) = (Un /U н) х 100%

По значению коэффициента kU(n) определяется спектр n -х гармонических составляющих, на подавление которых должны быть рассчитаны соответствующие силовые фильтры.

Нормальные и максимальные допустимые значения не должны соответственно превышать: в электрической сети напряжением до 1 кВ - 3 и 6%, в электрической сети 6 - 20 кВ 2,5 и 5% , в электрической сети 35 кВ - 2 и 4 %, в электрической сети 110 кВ и выше 1 и 2 %.

Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений возникает из-за нагрузки однофазных электроприемников. Так как распределительные сети напряжением выше 1 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью, то обусловлена появлением напряжения обратной последовательности. Несимметрия проявляется в виде неравенства и характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений :

k 2U = (U 2(1) /U н) х 100%,

где U 2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, кВ. Значение величины U 2(1) можно получить измерением трех напряжений основной частоты, т. е. U А (1) , U B(1) , U C(1) . Тогда

где y А, y B и y C - проводимости фаз А, B и C приемника.

В сетях напряжением выше 1 кВ несимметрия напряжений проявляется в основном из-за однофазных электротермических установок (дуговых печей косвенного действия, печей сопротивления, индукционных канальных печей, установок электрошлакового переплава и др.

Наличие напряжения обратной последовательности приводит к дополнительному нагреву обмоток возбуждении синхронных генераторов и увеличению их вибрации, к дополнительному нагреву электродвигателей и резкому сокращению срока службы их изоляции, снижению реактивной мощности, генерируемой силовыми конденсаторами, дополнительному нагреву линий и трансформаторов? увеличению количества ложных срабатываний релейной защиты и т д.

На зажимах симметричного элсктроприемника нормально допустимый коэффициент несимметрии равен 2%, а максимально допустимый - 4%.

Влияние несимметрии значительно уменьшается при питании однофазных электроприемников от отдельных трансформаторов, а также при применении управляемых и неуправляемых симметрирующих устройств, компенсирующих эквивалентный ток обратной последовательности, потребляемый однофазными нагрузками.

В четырехпроводных сетях напряжением до 1 кВ несимметрия, обусловленная однофазными приемниками, подключенными к фазным напряжениям, сопровождается прохождением тока в нулевом проводе и, следовательно, появлением напряжения нулевой последовательности.

Коэффициент нулевой последовательности напряжений k 0U = (U 0(1) /U н.ф.) х 100%,

где U0(1) -действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты, кВ; U н.ф. - номинальное значение фазного напряжения, кВ.

Величина U 0(1) определяется измерением трех фазных напряжений основной частоты, т. е.

где у A , у B , у C , y O - проводимости фаз А, В, С приемника и проводимость нулевого провода; U A (1 ) , U B(1) , U C(1) - действующие значения фазных напряжений.

Допустимое значение U 0(1) ограничивается требованиями, предъявляемыми к отклонению напряжения, которые удовлетворяются коэффициентом нулевой последовательности, равным 2% в качестве нормального уровня и 4% максимального уровня.

Снижение значения может быть достигнуто рациональным распределением однофазной нагрузки между фазами, а также увеличением сечения нулевого провода до сечения фазных проводов и применением трансформаторов в распределительной сети с группой соединения "звезда - зигзаг".

Провал напряжения и интенсивность провалов напряжения

Провал напряжения - это внезапное значительное понижение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких периодов до нескольких десятков секунд.

Длительность провала напряжения Δt пр - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжениядо первоначального или близкого к нему уровня (рис. 2), т.е. Δt пр = t вос - t нач.

Рис. 2. Длительность и глубина провала напряжения

Значение Δt пр составляет от нескольких периодов до нескольких десятков секунд. Провал напряжения характеризуется интенсивностью и глубиной провала δ Uпр, представляющей собой разность между номинальным значением напряжения и минимальным действующим значением напряжения Umin в течение провала напряжения, и выражается в процентах номинального значения напряжения или в абсолютных единицах.

Величина δ Uпр определяется следующим образом:

δUпр = ((Uн - Umin ) /Uн) х 100% или δUпр = Uн - Umin

Интенсивность провалов напряжения m * представляет собой частоту появления в сети провалов напряжения определенной глубины и длительности, т. е. m * = (m(δUпр, Δ tпр)/ M) х 100%, где m(δUпр, Δ tпр) - число провалов напряжения глубиной δUпр и длительностью Δ tпр за время Т ; М - суммарное число провалов напряжения за время Т.

К провалам напряжения, возникающим в большинстве случаев при коротких замыканиях в сети, чувствительны некоторые виды элекгропрнемников (ЭВМ, ), поэтому в проектах электроснабжения таких приемников должны предусматриваться меры по снижению длительности, интенсивности и глубины провалов напряжения. Допустимые значения длительности провалов напряжения ГОСТ не указывает.

Это резкое изменение напряжения, за которым следует восстановление напряжения до обычного уровня за промежуток времени от нескольких микросекунд до 10 миллисекунд. Оно представляет собой максимальное мгновенное значение напряжения импульса U имп (рис. 3).

Рис. 3. Импульсное напряжение

Импульсное напряжение характеризуется амплитудой импульса U" имп, представляющей собой разность между импульсом напряжения и мгновенным значением напряжения основной частоты, соответствующим моменту начала импульса. Длительность импульса t имп - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до обычного уровня. Может быть вычислена длительность импульса t имп0,5 по уровню 0,5 его амплитуды (см. рис. 3).

Импульсное напряжение определяется в относительных единицах по формуле ΔU имп = U имп/(√2U н)

К импульсам напряжения чувствительны также такие электроприемники, как ЭВМ, силовая электроника и др. Импульсные напряжения появляются вследствие коммутаций в электрической сети. Меры по снижению импульсных напряжений должны предусматриваться при разработке конкретных проектов электроснабжения. Допустимые значения импульсных напряжений ГОСТ не указывает.

Отклонения частоты

Изменения частоты обусловлены изменениями суммарной нагрузки и характеристиками регуляторов частоты вращения турбин. Большие отклонения частоты возникают в результате медленного регулярного изменения нагрузки при недостаточном резерве активной мощности.

Частота напряжения в отличие от других явлений, ухудшающих качество электроэнергии, является общесистемным параметром: все генераторы, присоединенные к одной системе, генерируют электроэнергию на напряжении одинаковой частоты - 50 Гц.

Согласно первому закону Кирхгофа всегда существует строгий баланс между выработкой и генерацией мощности. Поэтому любое изменение мощности нагрузки вызывает изменение частоты, что приводит к изменению выработки активной мощности генераторов, для чего блоки "турбина - генератор" оборудуют устройствами, позволяющими регулировать поступление энергоносителя в турбину в зависимости от изменений частоты в электрической системе.

При определенном росте нагрузки оказывается, что мощность блоков "турбина - генератор" исчерпана. Если нагрузка продолжает увеличиваться, баланс устанавливается при пониженной частоте - возникает отклонение частоты. В этом случае говорят о дефиците активной мощности для поддержания номинальной частоты.

Отклонение частоты Δ f от номинального значения f н определяется по формуле Δ f = f - f н, где f - текущее значение частоты в системе.

Изменения частоты, превышающие 0,2 Гц, существенно влияют на технико-экономические показатели работы электроприемников, поэтому нормально допустимое значение отклонения частоты равно ±0,2 Гц, а максимально допустимое значение отклонений частоты составляет ± 0,4 Гц. В послеаварийных режимах допускается отклонение частота от +0,5 Гц до - 1 Гц в течение не более 90 ч в год.

Отклонение частоты от номинальной приводит к увеличению потерь энергии в сети, а также к снижению производительности технологического оборудования.

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения и коэффициент небаланса междуфазных и фазных напряжений

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения характеризует колебания напряжения и равен отношению полуразности наибольшей и наименьшей амплитуд модулированного напряжения, взятых за определенный интервал времени, к номинальному или базовому значению напряжения, т. е.

k мод = (U нб - U нм)/(2√2U н),

где U нб и U нм - соответственно наибольшая и наименьшая амплитуды модулированного напряжения.

Коэффициент небаланса междуфазных напряжений k неб.мф характеризует несимметрию междуфазных напряжений и равен отношению размаха небаланса междуфазных напряжений к номинальному значению напряжения:

k неб.мф = ((U нб - U нм)/U н) х 100%

где U нб и U нм - наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений.

Коэффициент небаланса фазных напряжений k неб.ф характеризует несимметрию фазных напряжений и равен отношению размаха небаланса фазных напряжений к номинальному значению фазного напряжения:

k неб.ф = ((U нб.ф - U нм.ф)/U н.ф) х 100%,

где U нб и U нм - наибольшее и наименьшее действующие значения из трех фазных напряжений, U н.ф - номинальное значение фазного напряжения.

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузок, появление новых электротехнических установок сделали искаженные режимы характерной и неотъемлемой чертой работы современной системы электроснабжения. При этом нарушение ГОСТ 13109-97 возможно как со стороны энергоснабжающей организации (установившееся отклонение напряжения δU у; отклонение частотыΔf;длительность провала напряжения Δf п; импульсное напряжениеU имп; коэффициент временного перенапряженияK пер U так и по вине потребителей.

Причиной, вызывающей несинусоидальность, несимметрию, колебания и отклонения напряжения, является тот или иной вид электроприемника, определяемого технологическим процессом (производством). Отклонения напряжения вызывает изменение нагрузки любого производства. Предприятия с мощными сварочными устройствами порождают также колебания, несимметрию напряжения; дуговые сталеплавильные печи - еще и несинусоидальность; при электролизе в цветной металлургии имеют место колебания, несинусоидальность; при однофазной нагрузке - несимметрия; при работе тяговых подстанций - несинусоидальность и несимметрия напряжений.

Помимо искажений в установившихся режимах работы существуют промышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в пусковых режимах или при регулировании. Высшие гармоники порождают при пуске и торможении электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью, преобразователи при рекуперативном торможении. Трансформаторы при включении и отключении вызывают кратковременные перенапряжения.

Источниками колебаний напряжения в современных электрических системах служат мощные электроприемники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощностей. Для них характерны: питание от шин напряжением 35-220 кВ; значительные изменения потребляемой активной Р и реактивной Q мощности, равной (10-130) % Р, с высокой скоростью в течение суток; наличие у токоприемников нелинейных элементов.

К таким электроприемникам относятся в приоритетном порядке по степени воздействия на этот ПКЭ: дуговые сталеплавильные печи; руднотермические печи; электродвигатели большой мощности (в частности, прокатных станов); индукционные печи; машины контактной сварки; преобразователи электролизных установок; синхронные двигатели; приводы насосов и компрессоров в распределительных сетях.

Источниками гармонических искажений служат в основном нагрузки с нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; вентильные преобразователи; трансформаторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками; преобразователи частоты; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы.

Существенное влияние на работу электрооборудования, в первую очередь на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений. При коэффициенте обратной последовательности напряжений, равном 4%, срок службы электродвигателей сокращается примерно в два раза.

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузок, появление новых электротехнических установок сделали искаженные режимы характерной и неотъемлемой чертой работы современной системы электроснабжения. При этом нарушение ГОСТ 13109—97 возможно как со стороны энергоснабжающей организации (установившееся отклонение напряжения, отклонение частоты; длительность провала напряжения; импульсное напряжение; коэффициент временного перенапряжения, так и со стороны потребителей.

Потребитель с переменной нагрузкой может нарушить стандарт по размаху изменения 8 U, и дозе фликера с нелинейной — по коэффициенту искажения синусоидальности кривой Ки и коэффициенту гармонической составляющей с несимметричной — по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности и коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности Кои.

Показатели отклонения частоты и зависят от баланса активной и реактивной мощностей в энергосистеме, поэтому поддержание их возлагается на энергоснабжающие организации, сети которых являются виновником провалов напряжения, импульсов и кратковременных перенапряжений. Провал — неизбежное явление для сети любого — приводит к мгновенным последствиям, тем более значимым, чем больше их глубина и длительность.

Причиной, вызывающей несинусоидальность, несимметрию, колебания и отклонения напряжения, является тот или иной вид электроприемника, определяемого технологическим процессом (производством). Отклонение вызывает изменение нагрузки любого производства. Предприятия с мощными сварочными устройствами порождают и колебания, несимметрию напряжения; дуговые сталеплавильные печи — еще и несинусоидальность; электролиз цветной металлургии — колебания, несинусоидальность; однофазная нагрузка — несимметрию; тяговые подстанции — несинусоидальность и несимметрию напряжений.

Мы рассмотрели искажения в установившихся режимах работы. Но существуют промышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в пусковых режимах или при регулировании. Высшие гармоники порождают при пуске и торможении электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью, преобразователи при рекуперативном торможении. Трансформаторы при включении и отключении вызывают кратковременные перенапряжения.

Потребитель может быть источником искажений по нескольким ПКЭ. Количество и местоположение источников в схеме известно приблизительно, а уровень вносимых ими искажений практически неизвестен. Искажающие токи растекаются по сетям в зависимости от схемы сети, ее частотных характеристик и т. п. Токи суммируется в узлах, поэтому искажение определяется действием нескольких виновников.

Если рассматривать все точки (узлы), где следует выдерживать (и проверять) ПКЭ, то налицо объект с ценологическими свойствами. Но существующая теория расчета ПКЭ основана на нормальном распределении. Сложившееся положение аналогично положению с расчетом электрических нагрузок в 50—60е гг. XX в., когда полагали, что вероятностный гауссов подход решит проблему нагрузок. Очевидно, что существует большая область теории и практики, важнейшая при использовании электроэнергии, требующая новых представлений.

Для обеспечения требований, предъявляемых к качеству потребителями, значения напряжений в каждой точке электрической сети должны находиться в определенных допустимых пределах. Практически без специальных регулирующих устройств допустимый режим напряжений может быть обеспечен только в том случае, когда суммарные потери невелики. Это может быть только в сетях небольшой протяженности и с малым числом промежуточных трансформаций.

В распределительных электрических сетях отклонения обычно определяются для характерных точек — наиболее чувствительных к отклонению потребителей и наиболее удаленных от трансформаторных подстанций точек подключения электроприемников. В фиксированный момент времени для любой точки радиальной сети величина bU определяется выражением

Размахи изменения напряжения, следующие друг за другом, создают колебания 5Ut. Нормирование колебаний производится по степени воздействия на зрение человека. Процесс зрительного восприятия колебаний (фликера) начинается с верхнего предела частоты колебаний порядка 35 Гц при изменениях менее 10 %. Наиболее раздражающее действие мигания света наступает у человека при частоте, равной 8,8 Гц, при определенной величине размаха U. Длительность воздействия колебаний при этом составляет 10 мин. С точки зрения фликера лампы накаливания являются нагрузками, наиболее чувствительными к величине изменения напряжения.

Источниками колебаний в современных электрических системах являются мощные электроприемники, характеризующиеся импульсным, резко переменным характером потребления активной и реактивной мощностей. Для них характерны: питание от шин напряжением 35 — 220 кВ; значительные изменения потребляемой активной Р и реактивной Q мощности (которая может превышать в 1,5 раза) с высокой скоростью в течение суток; наличие у токоприемников нелинейных элементов.

0,1 …0,3 в период расплава металла и cos cp = 0,70…0,77 — в остальных режимах. При этом колебаний оказалась равной 8,3 Гц.

Нестабильность колебаний во многом предопределяется изменчивостью потребления реактивной мощности, поэтому, анализируя ее процесс изменения, можно получить достаточно достоверную информацию о характере колебаний в исследуемой электрической сети.

В электрических системах распространение колебаний происходит в направлении к шинам низкого практически без затуханий, а к шинам высокого — с затуханием по амплитуде. Этот эффект проявляется в зависимости от величины SK 3 системы. При распространении колебаний в любом направлении их частотный спектр сохраняется, а коэффициент затухания или усиления К определяется соотношением

где Sкз — мощность короткого замыкания ступени трансформации; Sт ном — номинальная мощность трансформатора; Ек — короткого замыкания трансформатора.

Источниками гармонических искажений являются в основном нагрузки, обладающие нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; вентильные преобразователи; трансформаторы с нелинейными вольтамперными характеристиками; преобразователи частоты; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы. Последние три источника создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но их общее количество велико. Эффект наложения искажений приводит к их значительному уровню, даже в сетях высоких напряжений. Так, величина гармонических искажений КТшЯи в сетях 230 кВ за счет работы телевизионных приемников может достигать 1 %. Пока в узлах электроснабжения промышленных предприятий значения коэффициента искажения синусоидальности кривой Ки и коэффициента лй гармонической составляющей превышают нормы ГОСТ (табл. 10.4).

Распространение гармоник тока по сети также зависит от параметров схемы и конфигурации сети. При распространении гармоник тока от источника в направлении сети более высокого происходит снижение амплитуд гармонических составляющих, обычно вызванное увеличением величины SK3 системы. Если распространение гармоник происходит в направлении к сетям низкого напряжения, то затухание гармоник слабее. Существенное влияние на работу электрооборудования, в первую очередь на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений. При коэффициенте обратной последовательности напряжений, рав

ном 4%, срок службы электродвигателей сокращается примерно в

Total: 0
Вконтакте0
Google+0
ОК0
Facebook0