Качество передаваемой электроэнергии. Основные показатели, определяющие качество электроэнергии

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные показатели, опред еляющие качество электроэнергии

качество электроэнергия сеть напряжение

Под термином «качество электрической энергии» понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии. Количественная характеристика качества электроэнергии выражается отклонениями напряжения и частоты, размахом колебаний напряжений и частоты, коэффициентом несинусоидальности формы кривой напряжения, коэффициентом несимметрии напряжения основной частоты.

Отклонение частоты - разность усредненная за 10 мин. Между фактическим значением основной частоты и номинальным её значением. Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы допускается в пределах 0,1 Гц. Кратковременные отклонения могут достигать 0,2 Гц.

Колебание частоты - разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения частоты не меньше 0,2 Гц в секунду. Колебания частоты не должны превышать 0,2 Гц сверх допустимых отклонений 0,1 Гц

Отклонения напряжения - разность между фактическим значением напряжения и его номинальным значением для сети, возникающая при

сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения меньше 1% в секунду. В условиях нормальной работы допускается отклонение напряжения в следующих пределах: -5 + 10% - на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления. -2.5+5% - на зажимах приборов рабочего освещения. 5% - на зажимах остальных приемников электрической энергии. В после аварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.

Колебание напряжения. Колебание напряжения оценивается следующими показателями: 1. Размахом изменения напряжения (U т.е. разностью между наибольшим и наименьшим действующими значениями напряжения в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения напряжения не менее 1% в секунду. 2. Частотой изменений напряжения (1/с, 1/мин., 1/ч.). F=m/T, где m - количество изменений напряжения со скоростью изменения более 1% в секунду за время Т. 3. Интервал между следующими друг за другом изменений напряжения.

Несинусоидальность напряжения сети характеризуется коэффициентом несинусоидальности (искажения) кривой напряжения. Коэффициент несинусоидальности напряжения не должен превышать 5% на зажимах любого приемника электроэнергии.

Под несимметрией напряжений понимают неравенство фазных или линейных напряжений по амплитуде и углам сдвига между ними. Нормируемым показателем несимметрии является коэффициент обратной последовательности напряжения, равный отношению напряжения обратной последовательности U2 к номинальному линейному напряжению Uном. Допустимое значение коэффициента составляет 2%.

При выходе показателей качества за установленные пределы увеличиваются расход и потери электроэнергии в системах электроснабжения, снижается уровень надежности работы электрооборудования, возникают нарушения технологических процессов и снижается выпуск продукции.

2. Характеристика показателей качества электроэнергии

2. 1 Отклонения напряжения

Каждый электроприемник спроектирован для работы при номинальном напряжении и должен обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную величину. При изменении напряжения в пределах этого диапазона могут изменятся значения выходного параметра электроприемника (температура в электротермической установке, освещенность у светильников, полезная мощность на валу электродвигателя и т.д.) Основными причинами отклонений напряжения в системах электроснабжения предприятий являются изменения режимов работы приемников электроэнергии, изменения режимов питающей энергосистемы, значительные индуктивные сопротивления линий 6-10 кВ. Изменения напряжения на зажимах приемника электроэнергии даже в установленных пределах вызывает изменение его технико-экономических показателей. Отклонения напряжения зависят от очень многих случайных и к тому же часто изменяющихся факторов. Последствия от отклонений напряжения зависят не только от величины, но и от продолжительности отклонения, а также от того, какой процент потребителей подвергается большим отклонениям. Так, например, кратковременные и редкие, хотя даже и значительные отклонения напряжения у отдельных потребителей не могут оправдать расходов, связанных с удорожанием сети, которое будет необходимо для уменьшения или ликвидации этих отклонений. Для характеристики качества напряжений в настоящее время разработана вероятная оценка, основанная на методе математической статистики. Этот метод впервые был разработан П. Айере, доказавшим, что количественную оценку влияния медленных изменений напряжения на экономичность работы электроприемников наиболее удобно и точно можно производить по среднему квадрату отклонения напряжения за период времени Т. Величина неодинаковости напряжения имеет размерность процент в квадрате. Единица неодинаковости 1%? или 1/10000. Например, при неодинаковости 25%? квадрат относительных отклонений 25/10000, а сами отклонения 5/100 или 5%. Для анализа режимов напряжения в электросетях применяется специальные статические анализаторы напряжения, позволяющие измерять квадрат среднеквадратичного отклонения Uск? и величины среднего значения отклонения напряжения, %, за время Т.

2. 2 Влияние отклонения напряжений на работу отдельных приемников электрической энергии

Проведенные исследования показали следующие величины ущербов от некачественного напряжения. При среднем отклонении напряжения 3,86% номинального на установке электропечей для плавки цветных металлов общей мощностью 280 кВт был получен перерасход энергии 65000 кВт*ч/год. При отклонении напряжения на 2,87% в цехе горячей вулканизации обувной фабрики получается брак, а отклонения 1-2% ведут к изменению температуры нагрева и задержке в выпуске продукции, что дало бы ущерб более 1 млн. руб./год. Электроплавильная печь мощностью 10000 кВА на заводе ферросплавов при номинальном напряжении работает с суточной производительностью 44 т. силикохрома. При снижении напряжения на 5-9% производительность уменьшается до 38,8 т. т.е. примерно на 12%. Снижение напряжения ухудшает качество сварочных швов. Цикл времени сварки при снижении напряжения на 10% удлиняется приблизительно на 20%. Если в сети ткацкого цеха, где установлено 2220 станков марки АТ-120-5, напряжение на 5% ниже номинального будет держаться только в течении 1 час, то за это время будет недоотпущено 131 м. суровой ткани. Понижение напряжения на 6-7% на электрических печах отжига цветныхметаллов мощностью 3 (225 кВт привело к перерасходу электроэнергии 270 тыс.кВт*ч/год и удлинению технологического процесса. Наиболее чувствительны к отклонениям напряжения лампы накаливания. Для ламп накаливания повышение напряжения только на 1% сверхноминального вызывает увеличение потребляемой мощности приблизительно на1,5%, светового потока на 3,7% и сокращение срока службы ламп накаливания на 14%. Увеличение напряжения на 3% сокращает срок службы ламп накаливания на 30%, а повышение напряжения на 5% приведет к сокращению срока службы ламп в 2 раза. Срок службы люминесцентных ламп при повышении напряжения на 10% сокращается на 20-30%.

2. 3 Регулирование напряжения

Способы регулирования напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий можно классифицировать следующим образом.

а) Регулирование на шинах электростанций и п/ станций. На шинах эл. станций изменением тока возбуждения генераторов повышают напряжения в часы максимума нагрузки и снижают напряжения в часы минимума нагрузок. Регулирование напряжения на шинах понизительной п/cт 6-10 кВ может осуществляться при помощи трансформаторов, статистических конденсаторов, синхронных компенсаторов и т.д.

б) Регулирование на отходящих линиях. Индивидуальное регулирование напряжения на каждой отходящей от шин п/ст линии является эффективным способом. В этом случае могут быть использованы трансформаторы с РНП, ВДТ и конденсаторы для продольной компенсации.

в) Совместное регулирование напряжения включает в себя первый и второй способы регулирования

г) Дополнительное регулирование напряжения применяется в том случае, когда не удается обеспечить требуемое качество напряжения у некоторой части потребителей эл. энергии.

д) Регулирование изменением схемы электроснабжения. В схеме электроснабжения осуществляют мероприятия позволяющие изменить величину и направление реактивной мощности и сопротивления отдельных участков, в результате чего изменяются уровни напряжения в отдельных точках сети.

Для поддержания уровней напряжения в допустимых пределах используют различные методы, которые можно разделить на 2 группы: не требующие затрат на установку специальных регулирующих устройств и связанные с установкой таких устройств.

Первая группа мероприятий включает в себя:

1. Рациональное построение системы электроснабжения (применение повышенного напряжения для линий, питающих предприятие, применение глубоких вводов, применение трансформаторов с оптимальным коэффициентом загрузки, применение токопроводов для распределительных сетей и т.д.) 2. Правильный выбор ответвлений обмоток у трансформаторов, имеющих устройство переключения обмоток без возбуждения (ПБВ). 3. Использование перемычек на напряжение до 1 кВ между цеховыми трансформаторами. 4. Снижение сопротивления системы внутризаводского электроснабжения включением на параллельную работу трансформаторов ГПП. 5. Регулирование напряжения генераторов собственных источников питания предприятия. 6. Использование регулировочных возможностей синхронных электродвигателей.

Ко второй группе мероприятий по регулированию напряжения относятся:

1. Установка на ГПП трансформаторов, имеющих устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РНП). 2. Применение компенсирующих устройств. 3. Применение специальных регуляторов напряжения.

2.4 Колебание напряжения

При работе электроприемников с резкопеременной ударной нагрузкой в электросети возникают резкие толчки потребляемой мощности. Это вызывает изменения напряжения сети, размахи которых могут достигнуть больших значений. Эти явления имеют место при работе прокатных электродвигателей, дуговых электропечей, сварочных машин и т.д. Указанные обстоятельства крайне неблагоприятно отражаются на работе всех электроприемников, подключенных к данной сети, в том числе и электроприемников вызывающих эти изменения. Так, например, время сварки у контактных машин в пределах от 0,02 до 0,4 с, то колебания напряжения даже малой длительности сказываются на качестве сварки.

При колебаниях напряжения, в результате которых напряжение снижается более чем на 15% ниже номинального, возможно отключение магнитных пускателей, работающих электродвигателей. На предприятиях с существенной синхронной нагрузкой колебания напряжения могут приводить к выпадению привода из синхронизма и расстройству технологического процесса. Колебания напряжения отрицательно сказывается на работе осветительных приемников. Они приводят к миганиям ламп, которые при превышении порога раздражительности могут отражаться на длительном восприятии людей.

Существенным источником колебаний напряжения являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). При работе ДСП имеют место частые отключения, число которых достигают 10 и более в течение одной плавки. Наиболее тяжелые условия получаются в период расплавления металла и в начале окисления. При этом возникают эксплуатационные толчки тока. Значение тока при толчке зависит от вместимости печи, параметров печного трансформатора, полного сопротивления короткой сети.

2.5 Мероприятия по о граничению колебаний напряжения

В первую очередь предусматриваются оптимальные решения схемы электроснабжения с минимальными дополнительными затратами, к числу которых относятся: - приближение источников высшего напряжения к электроприемникам с резкопеременной нагрузкой - питание резкопеременных и спокойных нагрузок от отдельных трансформаторов - соблюдение оптимального уровня мощности к.з. в сетях, питающих электрориемники с резкопеременной нагрузкой в пределах 750-10000 МВА. Если эти мероприятия оказываются недостаточными, то предусматриваются специальные устройства и установки для уменьшения размахов изменений напряжения.

Специальные быстродействующие синхронные компенсаторы (СК). Наиболее эффективным средством для ограничения колебания напряжения является синхронный компенсатор толчковой нагрузки со специальными параметрами, с быстродействующим тиристорным возбуждением, с большой кратностью форсировки возбуждения, работающие в так называемом «режиме слежения» за реактивным током подключенных потребителей электроэнергии. Мощность СК определяют исходя из параметров графика нагрузки объекта, подлежащих компенсации. Предусматривается регулирование реактивного тока таким образом, чтобы емкостной реактивный ток СК соответствовал реактивной толчковой нагрузке, имеющий индуктивный характер.

Синхронные двигатели. Для ограничения размахов изменений напряжения при резкопеременных толчковых нагрузках используются также синхронные двигатели (СД) со спокойной нагрузкой, присоединяемые к общим шинам с вентильными преобразователями. При этом СД должны иметь необходимую располагаемую мощность, быстродействующее возбуждение (тиристорное) свысоким потолком форсировки и быстродействующий автоматический регулятор возбуждения. Статические источники реактивной мощности (ИРМ). ИРМ характеризуется высоким быстродействием, плавным изменением реактивной мощности, безинерционностью. Например схема статического ИРМ с параллельным включением регулируемой индуктивности и нерегулируемой емкости. В качестве индуктивности - управляемый реактор с подмагничиванием, в качестве емкости - конденсаторная батарея. Суммарная мощность ИРМ: Q=QL - QC, где QL - мощность, потребляемая реактором, QC - мощность. генерируемая конденсаторной батареей. Значение и направление мощности ИРМ в каждый момент зависят от регулируемой мощности QL. QC выбирается равной или несколько меньше ожидаемого наброса реактивной мощности. При набросе реактивной мощности ИРМ повышается до максимального значения, равного QC, а при сборе понижается до минимального значения.

2.6 Отклонения и колебания частоты

Нарушение баланса между мощностью, вырабатываемой генератором электростанции или энергосистемы, и мощностью требуемой промышленными предприятиями, приводит к изменению частоты тока электросети. Основной причиной возникновения колебаний частоты являются мощные приемники электроэнергии с резкопеременной активной нагрузкой (тиристорные преобразователи главных приводов прокатных станов). Активная мощность этих приемников изменяется от нуля до максимального значения за время менее 0,1с, вследствие чего колебания частоты могут достигать больших значений. Изменения частоты даже в небольших пределах влияют на работу электросетей и приемников электроэнергии. Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напряжения в электросетях и к недовыработке продукции. Влияние снижения частоты на потребляемую мощность электроприемников различно 1) потребляемая мощность приемниками электроосвещения, электропечами сопротивления и дуговыми электропечами практически незначительно зависит от частоты; 2) мощность забираемая механизмами с постоянным моментом на валу (металлорежущие станки, поршневые насосы, компрессоры и др.), пропорциональна частоте; 3) потери мощности в сети пропорционально квадрату частоты; 4) потребляемая механизмами с вентиляторным моментом сопротивления (центробежные насосы, вентиляторы, дымососы и др.) мощность пропорциональна частоте в третьей степени; 5) у центробежных насосов, работающих на сеть с большим статическим напором (противодавлением), например у питательных насосов котельных, потребляемая мощность пропорциональна частоте в степени выше третьей. Изменение частоты существенно влияет на работу приборов и аппаратов применяемых в телевидении, вычислительной технике.

Разгрузка энергосистемы при образовавшемся недостатке мощности осуществляется устройствами автоматической частотной разгрузки (АЧР) или вручную персоналом энергосистемы путем отключения потребителей по питающим линиям (трансформаторам) по специально разработанному так называемому аварийному графику (АГ). Устройства АЧР предназначены для разгрузки энергосистемы при авариях, вызывающий большой дефицит мощности. Величина АЧР принимается не менее 50% нагрузки энергосистемы с разбивкой на очереди с различными объемами разгрузки и различными установками автоматов по частоте и выдержке времени. Разгрузка энергосистемы персоналом вручную по аварийному графику (АГ) применяется также в случае возникновения дефицита мощности из-за аварии. График АГ разрабатывается в размере 15% нагрузки системы с разбивкой на очереди по мощности. Частотная разгрузка применяется совместно с частотным автоматическим повторным включением (ЧАПВ), восстанавливающим электроснабжение отключенных потребителей. Устройства АВР используются на предприятиях без учета общих интересов электроснабжения потребителей при возникающих дефицитах мощности в энергосистеме. Резервирование потребителями отключенной АЧР нагрузки с помощью АВР на оставленные в работе линии снижает эффективность АЧР, что может привести к развитию аварии в энергосистеме. Правильное использование АВР в сетях потребителей может быть обеспечено за счет рационального размещения АВР и согласования действия АВР с действиями АЧР.

2.7 Несинусоидальность форм ы кривой напряжения и тока

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольтамперные характеристики которых нелинейны. K их числу относятся тиристорные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы и др. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы. Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие при этом экономические ущербы обусловлены главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращение срока службы электрооборудования. Основной круг вопросов, составляющих содержание проблемы несинусоидальности, сводится к следующим: - оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок; - количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электросетях. - снижение уровней высших гармоник.

Известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию f((t) можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармониками. Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ю называются высшими гармониками. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

2.8 Осн овные источники высших гармоник

Вентильные преобразователи . Полупроводниковые преобразовательные устройства находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и др. технологические установки. На промышленных предприятиях наибольшее применение получили трехфазные мостовые схемы. Эти схемы являются также основой для построения более сложных схем многомостовых преобразователей. Проведенные исследования показали, что в амплитудных спектрах первичных токов преобразователей содержатся как канонические гармоники (5,7,11,13,17,19…), так и неканонические или анормальные гармоники (2,3,4,6,8…). Основной причиной появления анормальных гармоник является асимметрия импульсов управления, свойственная всем системам управления. Амплитуды анормальных гармоник по сравнению с амплитудами канонических гармоник как правило, невелики. На базе трехфазной мостовой схемы реализуются ряд схем преобразователей применяемых в электроприводе: - Тиристорный электропривод на базе вентильного двигателя; - Асихронный вентильный каскад; - Скомпенсированный вентильный электропривод; - Привод на базе асинхронного двигателя с использованием частотного регулирования частоты вращения.

Дуговые сталеплавильные электропечи . Нелинейность вольтамперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник. Формы кривых тока печей в большой степени зависят от режима горения дуги в разные периоды плавки. В начальный период расплавления ток печи колеблется между токами режима холостого хода и короткого замыкания, форма кривых токов значительно отличается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока сравнительно меньше. Форма кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной. В сравнении с вентильными преобразователями той же мощности уровни гармоник, генерируемых дуговыми печами, оказываются в 3-4 раза меньше. Сказанное относится к периоду расплавления, поэтому для практических целей важно знать уровни гармоник для периода расплаления. Уровень 5,7,11 и 13-й гармоник тока, генерируемых электродуговыми печами, относительно невелик. Эквивалентное действующее значение их не превосходит 10% тока 1-й гармоники. В токах дуговых электропечей содержатся также анормальные 2,3,4,6-я гармоники. Основными причинами появления анормальных гармоник являются непрерывное изменение условий горения дуг печи и неполное выравнивание сопротивлений короткой сети. Эквивалентное действующее значение токов высших гармоник в токе за счет анормальных гармоник возрастает в 1,8-2 раза.

Установки электродуговой и контактной сварки. Для установок электродуговой сварки в качестве источника питания используются полупроводниковые выпрямители. Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителями, различны для отдельных режимов работы сварочных установок. В зависимости от нагрузки выпрямитель может работать в одном из трех режимов: режиме прерывистых токов при малых нагрузках, которому соответствует двухвентильная коммутация А; средних нагрузках В; режиме трехвентильной коммутации при больших нагрузках С. Режим А практического значения не имеет. В режиме В уровни 5-й и 7-й гармоник тока оказываются весьма нестабильными. Уровень высших гармоник тока в режиме С значительно ниже, чем в режиме В. Установки контактной электросварки включаются в сеть с помощью тиристорных ключей. Для плавного регулирования сварочного тока вентильные устройства снабжаются системами фазового регулирования. Применение фазового регулирования приводит к искажению формы тока, потребляемого сварочными машинами. Определяющими гармониками при разложении тока являются 1,3 и 5-я. Кроме нечетных гармоник присутствуют также четные гармоники. Появление четных гармоник объясняется разбросом углов регулирования вентилей. Влияние четных высших гармоник на несинусоидальность токов сварочных машин невелико.

2.9 Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий нежелательны по ряду причин: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и вязи. При работе асинхронного двигателя в условиях несинусоидального напряжения немного снижается его коэффициент мощности и вращающий момент на валу. Искажение формы кривой напряжения заметно сказывается на возникновении и протекании ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация зарядов связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик; в результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению её электропрочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете к сокращению срока службы. Наиболее ощутимое влияние высших гармоник оказывает на работу батарей конденсаторов. Конденсаторы работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка и токами высших гармоник, которая возникает, как правило, при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармоник. В соответствии с ГОСТ батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более на 30%; однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы сокращается. При несинусоидальном режиме сети происходит ускорение старения изоляции силовых кабелей. Исследования кабелей работающих при синусоидальном и при уровне высших гармоник в кривой напряжения в пределах 6-8,5% показали, что токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36%, через 3,5 года - на 43% больше, чем в первом. Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. Индукционные счетчики активной и реактивной энергии при несинусоидальных напряжениях и токах имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10%. Наличие высших гармоник затрудняется и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств и даже вызывают сбой в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского контролируемого пунктов. Несинусоидальность формы кривой напряжения отрицательно сказывается на работе вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока.

Потери мощности вызываемые высшими гармониками. При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности: 1. Дополнительные потери активной мощности в синхронных машинах от высших гармонических тока. 2 Дополнительные потери активной мощности в обмотках асинхронного двигателя, обусловленные токами высших гармоник. 3. Дополнительные потери активной мощности в силовых трансформаторах, кабельных и воздушных линиях и реакторах. 4. дополнительные потери активной мощности в силовых конденсаторах: а) Дополнительные потери активной мощности в диэлектрике силового конденсатора, б) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в изоляции от корпуса силовых конденсаторов. в) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в обкладках конденсаторов.

2.10 Способы уменьшения несинусоидальности напряжения в электрических сетях

Увеличение числа фаз выпрямления . С увеличением числа фаз выпрямления форма первичного тока преобразователя приближается в токе выпрямителя и, следовательно, в напряжении сети, уменьшается. Так, например, при 6-фазной схеме выпрямления в токе вентильного агрегата содержатся 5,7,11,13,17,19,23,25-я….гармоники, а при 12-фазной схеме - 11,13,23,25-я…. гармоники. Расчеты показывают, что при этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается в 1,4 раза. Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения содержания высших гармоник в кривых первичного тока преобразователей и напряжения сети. Однако эти устройства получаются слишком сложными, дорогими и ненадежными. В настоящее время наибольшее распространение получили 12-фазный режим выпрямления.

Многофазный эквивалентный режим работы преобразователей. Увеличение числа фаз выпрямителя возможно также путем создания эквивалентного режима для группы вентильных агрегатов, при сохранении для каждого из них 6 - фазного выпрямителя. Например, 12-фазный эквивалентный режим для двухмостового преобразователя может быть реализован путём соединения одной из обмоток анодного трансформатора в треугольник, а другой - в звезду. В результате в первичных обмотках трансформаторов обеих агрегатов присутствуют гармоники порядков 6k, но в питающую сеть выходят только гармоники порядков 12k, а остальные гармоники тока циркулируют между первичными обмотками трансформаторов.

Снижение уровней гармоник средствами питающей сети достигается в основном рациональным построением схемы электроснабжения, при котором обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя. Наиболее распространенными средствами являются применение трансформаторов преобразователей с повышенным напряжением 110-220 кВ; питание нелинейных нагрузок от отдельных трансформаторов или подключение их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов; подключение параллельно нелинейным нагрузкам синхронных и асинхронных двигателей.

Фильтры высших гармоник Звено фильтра представляет собой конур из

последовательно соединенных индуктивности и ёмкости, настроенный на частоту определенной гармоники. Идеальный фильтр полностью потребляет ток гармоники I, генерируемый нелинейными элементами. Однако из-за наличия активных сопротивлений в реакторе и конденсаторе и неточной их настройки полная фильтрация гармоник практически невозможна. Количество звеньев в фильтре может быть любое. Но на практике, как правило, применяют фильтры, состоящие из двух или четырех звеньев, настроенные на 5,7,11,13,23, и 25-ю гармоники. Одновременно фильтр является источником реактивной мощности и может служить в качестве одного из средств для компенсации реактивных нагрузок. Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, кроме этого распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки.

Заключение

Показатели качества электроэнергии это совокупность свойств энергии электрического тока, определяющих режим работы электроприёмников (электродвигателей, нагревательных установок, осветительных приборов, радиоэлектронных устройств и др.). Показателями качества являются: для сетей однофазного переменного тока - отклонение частоты и напряжения, колебания частоты и напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения; для сетей трёхфазного переменного тока-то же, что и для сетей однофазного тока, а также несимметрия фазных напряжений основной частоты (фазные напряжения не равны между собой и сдвиг по фазе отличен от 120°); для сетей постоянного тока - отклонение напряжения, колебания напряжения и коэффициент пульсации напряжения (отношение амплитуды переменной составляющей к выпрямленному напряжению). Отклонение частоты - разность между номинальным и фактическим значениями основной частоты, усреднённая за 10 мин; в нормальном режиме допускается отклонение частоты в пределах ±0,1 гц, иногда разрешается временное отклонение частоты до ±0,2 гц. Колебания частоты - разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты при скорости изменения её не менее 0,2 гц/сек; в нормальных условиях колебания частоты не должны превышать 0,2 гц сверх указанных выше допустимых отклонений. Отклонение напряжения - разность между номинальным и фактическим (для данной сети) значениями напряжения, возникающая при сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения менее 1% в сек. Колебания напряжения - разность между наибольшим и наименьшим действующими значениями напряжения в сети, возникающая при достаточно быстром изменении режима работы, когда скорость изменения не менее 1% в сек. Несинусоидальность формы кривой напряжения (несоответствие форме кривой гармонического колебания, длительно допускается на зажимах электроприёмника при условии, что действующее значение всех высших гармоник не превышает 5% действующего значения напряжения основной частоты. Качество электроэнергии может меняться в зависимости от времени суток, погодных и климатических условий, изменения нагрузки энергосистемы, возникновения аварийных режимов в сети и т.д. Снижение его может привести к заметным изменениям режимов работы электроприёмников и в результате - к уменьшению производительности рабочих механизмов, ухудшению качества продукции, сокращению срока службы электрооборудования, повышению вероятности аварий и т.д. В реальных условиях поддержание показателей качества в заданных пределах наиболее эффективно обеспечивается автоматическим регулированием напряжения и автоматическим регулированием частоты.

Литература

1. Электротехнический справочник, 4 изд., т. 2, кн. 1, М., 1972.

2. Качество электрической энергии. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 80 с.

3. Колпачков В.И., Ящура А.И. «Производственная эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт энергетического оборудования». Справочник. (М. 1999 г. 433 стр.).

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Уровни несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на птицефабрике "Акашевская". Анализ динамики показателей качества электрической энергии для различных периодов времени. Взаимное влияние качества электроэнергии и электрооборудования.

дипломная работа , добавлен 28.06.2011


Оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования на примере предприятия агропромышленного комплекса. Динамика показателей качества электрической энергии. Расчет потерь электроэнергии и высших гармоник.

дипломная работа , добавлен 26.06.2011


Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы. Влияние отклонения напряжения на потребителей. Быстрые флуктуации. Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.

презентация , добавлен 12.11.2013


Показатели качества электроэнергии. Причины, вызывающие отклонения параметров сети от номинальных значений. Отклонение напряжения и его колебания. Отклонение фактической частоты переменного напряжения. Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока.

контрольная работа , добавлен 13.07.2013


Основные положения государственного стандарта на качество электрической энергии, показатели и критерии его оценки. Характеристика показателей: отклонения, колебания, нессиметричность, провал и импульс напряжения. Их влияние на работу электроприемников.

курсовая работа , добавлен 21.06.2015


Электрические сети переменного и постоянного тока. Синусоидальный ток и напряжение. Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии. Коэффициент искажения напряжения. Снижение несинусоидальности напряжений и токов.

курсовая работа , добавлен 29.03.2016


Потери электрической энергии при ее передачи. Динамика основных потерь электроэнергии в электрических сетях России и Японии. Структура потребления электроэнергии по РФ. Структура технических и коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях.

презентация , добавлен 26.10.2013


Влияние отклонения показателей качества электрической энергии от установленных норм. Параметры качества электрической энергии. Анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения городов-миллионников. Разработка мероприятий по ее повышению.

дипломная работа , добавлен 21.01.2017


Структура потерь электроэнергии в электрических сетях. Технические потери электроэнергии. Методы расчета потерь электроэнергии для сетей. Программы расчета потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях. Нормирование потерь электроэнергии.

дипломная работа , добавлен 05.04.2010


Структура электрических сетей, их режимные характеристики. Методика расчета потерь электроэнергии. Общая характеристика мероприятий по снижению потерь электроэнергии и определение их эффективности. Зависимость потерь электроэнергии от напряжения.

Качество электроэнергии – это соответствие основных параметров энергосистемы нормам, принятым при производстве, передаче и распределении электроэнергии. Выход показателей качества за установленные нормы приводит к следующим негативным последствиям:

• увеличению расхода и потерь электроэнергии в системах электроснабжения;
• снижению надёжности работы оборудования;
• возникновению нарушений технологических процессов с одновременным снижением объёмов выпуска продукции.

Показатели качества определены в ГОСТ Р 54149-2010«Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Рассмотрим ниже основные из них.

Основные показатели

Согласно данного стандарта, основными показателями, характеризующими качество электроэнергии, можно считать:

Отклонения частоты и напряжения

Отклонением частоты является усреднённая за 10 минут разность между фактической величиной основной частоты и её номинальной величиной. При этом допускаются:

• в нормальном режиме работы отклонения не более 0,1 Гц;
• кратковременные отклонения не более 0,2 Гц.

Отклонением напряжения считается разность между фактической величиной напряжения и её номинальной величиной. Допускаются следующие отклонения напряжения при нормальной работе сети:

• на зажимах аппаратов и электродвигателей для их управления и пуска от -5 до +10%;
• на зажимах аппаратов рабочего освещения от -2,5 до +5%;
• на зажимах других электроприёмников не более 5%.

При этом, в после аварийных режимах понижение напряжения дополнительно допускается не более 5%. Основными причинами отклонений напряжения являются:

• изменения режимов работы энергосистемы и электрических приёмников;
• большие значения индуктивных сопротивлений линий 6-10 кВ.

В целях поддержания данного параметра в допустимых пределах используются следующие методы:

• регулирование напряжения на отходящих линиях
• регулирование напряжения на шинах подстанций;
• совместное регулирование при одновременном снижении (повышении) напряжения и на ПС, и на линиях;
• дополнительное регулирование, когда требуется локальное изменение напряжения у конкретного потребителя;
• регулирование напряжения за счёт изменения схем электроснабжения.

Колебания частоты и напряжения

Это разность между наибольшей и наименьшей величиной основной частоты при достаточно быстром изменении параметров сети со скоростью изменения частоты не менее 0,2 Гц/сек. Колебания напряжения можно оценить при помощи следующих показателей:

• Размаха изменения напряжения.
• Частоты изменения напряжения.
• Интервала между изменений напряжения.

Такого рода колебания возможны при работе приёмников резко меняющих свою нагрузку (сварочных машин, дуговых электропечей, прокатных электродвигателей). В итоге, в электрической сети появляются резкие толчки мощности потребляемой потребителем, приводящие к значительным изменениям напряжения сети.

При этом ухудшается работа обычных потребителей, подключённых к данной сети. Для сглаживания колебания напряжения используются следующие устройства:

• быстродействующий синхронный компенсатор;
• синхронный двигатель;
• статический источник реактивной мощности.

Коэффициент несимметрии напряжения основной частоты

Несимметрия напряжений – это неравенство линейных и фазных напряжений по амплитуде и углу сдвига между ними.

В данном случае нормируемый показатель несимметрии – это коэффициент обратной последовательности напряжения, который равен отношению напряжения обратной последовательности к номинальному линейному напряжению. Сегодня данный коэффициент не превышает 2%.

Коэффициент несинусоидальности формы кривой напряжения на зажимах электрических приёмников не должен превышать 5%.

Причины возникновения и следствия

Полное понимание показателей качества электроэнергии с обязательным анализом причин и следствий от их изменения позволяет современным энергосистемам удерживать их в допустимых пределах.

В итоге потребителям поступает электрическая энергия полностью соответствующая тем параметрам, которые требуются для продолжения нормального производственного процесса. Стоит отметить, что и сегодня энергетики продолжают искать средства и методики для поддержания параметров сети в допустимых пределах.

Качество электроэнергии учитывает все аспекты ЭМС, но характеризует только электрическую сеть . Установленные для нее допустимые уровни ЭМС называют показателями качества электроэнергии.

Нормативные значения ПКЭ и их перечень установлены ГОСТ 13109-97, который является ориентиром для разработчиков аппаратуры и электрооборудования, подключаемого к сети, в части их помехо­устойчивости, с одной стороны, и уровня вносимых ими помех, с другой. Если уровень помехоустойчивости этих технических средств выше предельно допустимых значений ПКЭ в сети, ЭМС будет обеспечена.

Фактические значения ПКЭ должны контролироваться с помощью специализированных средств измерения в условиях эксплуатации, а соответствующие характеристики ЭП - путем необходимых испытаний при их разработке и производстве.

Все 11 ПКЭ, которые установлены ГОСТ 13109-97, могут быть условно разделены на три группы. К первой группе можно отнести отклонения частоты и отклонения напряжения , которые связаны с особенностями технологического процесса производства и передачи электроэнергии. Качество регулирования отклонений частоты и напряжения определяет их уровень в электроэнергетической системе . Ко второй группе можно отнести ПКЭ, характеризующие несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрию и колебания напряжения . Источниками этих искажений (эмитентами) являются, главным образом, электроприемники. Для координации ЭМП, вносимых такими ЭП, необходимо применение технических мероприятий как на этапе разработки и производства, так и в процессе их эксплуатации. К третьей группе можно отнести ПКЭ, характеризующие случайные электромагнитные явления и электротехнические процессы, неразрывно связанные с технологическим процессом производства, передачи и потребления электроэнергии. К ним относятся провалы напряжения , перенапряжения и импульсы напряжения , которые возникают в системе электроснабжения в большинстве случаев в результате коммутаций электрооборудования или разрядов молнии на линию электропередачи.

Показатели качества электроэнергии первых двух групп нормируются ГОСТ, и на них установлены два допустимых уровня: нормальный и предельный. ПКЭ третьей группы не нормируются, однако статистическая информация о них имеет большое значение для нормальной эксплуатации электроэнергетической системы.

Отклонение частоты . Частота f является общесистемным параметром режима ЭЭС и определяется балансом активной мощности . При возникновении дефицита генерируемой мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности. При избытке генерируемой мощности, наоборот, частота повышается.

Частота переменного тока в электроэнергетической системе определяется частотой вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц). В каждый момент времени в ЭЭС должно быть обеспечено равенство между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой, с учетом потерь мощности в элементах электроэнергетической системы. Регулирование частоты в ЭЭС возможно только при наличии резерва активной мощности на электростанциях. Ввод резервной активной мощности возможен в ЭЭС за счет дополнительного расхода энергоносителя первичного двигателя (турбины) генератора.

Качество электроэнергии по частоте характеризуется отклонением частоты ∆ f :

где f ном - номинальное значение частоты, Гц; f у - фактическое установившееся (измеренное) значение частоты, Гц.

Отклонение напряжения . Напряжение в узлах электроэнергетической системы может быть различным и определяется балансом реактивной мощности в этих узлах. Отличие фактического установившегося напряжения U у в заданной точке сети от его номинального значения U ном характеризуется отклонением напряжения δU у. Отклонения напряжения, определяемые в процентах от номинального значения, устанавливаются в том или ином узле ЭЭС в зависимости от параметров сети и нагрузки узла:

Изменение уровня напряжения в узле сети при передаче электроэнергии по ее участку можно проиллюстрировать на примере, когда по линии передаются активная Р и реактивная Q мощности. Схема замещения линии представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Изменение отклонений напряжения при отсутствии регулирования.

Пусть при указанной мощности ток, протекающий по линии, равен I . При этом и мощность S = P + jQ , и ток I = I a - jI p , и сопротивление линии Z = R + jX - комплексные величины. Тогда напряжения U 1 и U 2 по концам линии будут различными за счет падения напряжения в этой линии. Если мощность передается в направлении, показанном на рис. 2.2, то напряжение в конце линии будет ниже, чем в начале. Разность этих напряжений (как если бы она была измерена вольтметром) называется потерей напряжения . Можно сказать, что потеря напряжения - это разность модулей напряжений по концам линии или ∆U = |U 1 | - |U 2 |, так как U 1 и U 2 - комплексные величины. В отличие от U разность этих комплексных величин U 1 - U 2 называется падением напряжения , которое равно

и для поперечной составляющей

и характеризует разность действующих напряжений по концам элемента сети (линия, трансформатор ).

Поперечная составляющая характеризует фазовый сдвиг (угол) между векторами этих же напряжений.

Тогда действующее значение междуфазного напряжения в конце линии

Обеспечение требований по допустимым отклонениям напряжения в каждой точке сети без специальных регулирующих устройств возможно только тогда, когда суммарные потери напряжения относительно невелики. Такие условия могут быть в сетях относительно небольшой протяженности с малым числом промежуточных трансформаций и небольшой нагрузкой.

Современные ЭЭС характеризуются большой протяженностью линий различных номинальных напряжений и многоступенчатой трансформацией. Поэтому передача электроэнергии от ее источников до приемников , когда суммарные потери напряжения велики, невозможна без специальных средств регулирования напряжения.

В распределительных электрических сетях отклонения напряжения обычно определяются в характерных точках. Это - точки, удаленные от центров питания (ЦП), оборудованных трансформаторами с регулируемым под нагрузкой коэффициентом трансформации (РПН).

Суточный диапазон изменения нагрузки потребителя достаточно велик, что приводит к изменению потерь напряжения в сети, а следовательно, и к изменению отклонений напряжения в узлах. Такой пример приведен на рис. 2.2, когда напряжение в начале линии U 1 поддерживается на уровне выше номинального, а мощность нагрузки изменяется в диапазоне от S 2 нм до S 2 нб. В этом примере напряжение U 2 на приемном конце ниже тогда, когда нагрузка больше.

При этом отклонения напряжения от номинального значения в режиме наибольшей (δU 2 нб) и наименьшей (δU 2 нм) нагрузки могут отличаться от допустимых значений. В Правилах устройства электроустановок рекомендуется поддерживать напряжение в ЦП на уровне не ниже 105 % номинального в режиме наибольшей нагрузки и не выше 100 % - в режиме наименьшей нагрузки. Это требование отвечает принципу встречного регулирования напряжения . Для реализации используются средства регулирования напряжения. На рис. 2.3 в качестве этого средства используется трансформатор с РПН. Регулятор РПН в зависимости от тока I нагрузки трансформатора изменяет его коэффициент трансформации К т, вводя ту или иную добавку напряжения Е т так, что с увеличением тока К т снижается и напряжение на стороне отходящей линии повышается. И, наоборот, при снижении тока нагрузки К т увеличивается и напряжение снижается. Теперь напряжение в режиме наибольшей нагрузки выше U ном (δU 2 нб - положительно), а в режиме наименьшей - ниже (δU 2 нм - отрицательно).

Рис.2.3. Регулирование напряжения с помощью РПН.

Коэффициент трансформации изменяется так, что при промежуточных нагрузках δU 2 нм < δU пр < δU 2 нб. Энергоснабжающая организация может задавать часы наибольшей и наименьшей нагрузки определенными интервалами времени в течение суток. В течение этих интервалов нагрузка потребителя может изменяться, оставаясь соответственно в диапазонах наибольших или наименьших значений. Поэтому и допустимые отклонения напряжения должны задаваться диапазонами отдельно для режимов наибольшей и наименьшей нагрузки и поддерживаться в заданных диапазонах средствами регулирования напряжения.

Колебания напряжения . Если отклонения напряжения создаются под воздействием относительно медленных изменений нагрузки, определяемых ее графиком, то быстрые изменения нагрузки создают колебания напряжения. Колебания напряжения определяются по огибающей действующих или амплитудных значений напряжения и характеризуются размахами δU t и частотой повторения изменений напряжения илиинтервалами между изменениями напряжения . Пример огибающей амплитудных значений напряжения, измеренных дискретно на каждом полупериоде, приведен на рис. 2.4. Размах изменения напряжения оценивается в процентах на каждом полупериоде основной частоты как

где U i 2 и U i 1 - значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка.

Рис.2.4. Колебания напряжения размахом

Еще одной характеристикой колебаний напряжения является доза фликера . Необходимость введения ПКЭ, характеризующего колебания напряжения, возникла в результате обнаружения воздействия этого явления на зрение человека, вызывающего физиологическую усталость от мерцания светового потока, создаваемого источниками света. Фликер обладает кумулятивным (накапливающимся) воздействием, эффект от которого тем больше, чем больше размах колебаний и частота их повторения.

Процесс зрительного восприятия фликера, создаваемого колебаниями прямоугольной формы, находится в диапазоне частот 0 < f < 35 Гц и размахов 0 < δU t < 10 % номинального напряжения. Экспериментально доказано, что наиболее раздражающее действие фликера наступает при f = 8,8 Гц, когда δU t = 0,29 %.

Источниками колебания напряжения в электроэнергетических системах являются мощные ЭП, характеризующиеся резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности. Для таких ЭП характерны следующие условия электропотребления: их питание осуществляется от шин напряжением 35-220 кВ, а колебания потребляемой активной и реактивной мощности в диапазоне 10-130 % происходят со скоростью нарастания до 200 MB · А/с. Как правило, такие ЭП имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

К ним относятся в приоритетном порядке по степени воздействия на ухудшение КЭ: дуговые сталеплавильные печи, рудно-термические печи, электродвигатели большой мощности (в частности, прокатных станов), индукционные печи, машины контактной сварки, преобразователи электролизных установок. Так, при работе дуговой печи ДСП-100 на напряжении 35 кВ в период расплава размахи δU t в сети достигают 4,3-8,2 % при cosφ = 0,1-0,3. При этом частота колебаний напряжения составляет 8,3 Гц.

Рис.2.5. Искажение синусоидальной формы кривой напряжения гармониками:

а – гармонический состав напряжения (1,3,5-я гармоники); б – результирующая (искаженная) форма кривой .

Несинусоидальность напряжения. Значительную долю нагрузки в электрической сети представляют ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такие ЭП потребляют ток, форма которого существенно отличается от синусоидальной. Пример искажения синусоидальной формы кривой и ее гармонических составляющих приведен на рис. 2.5. Протекание несинусоидального тока по элементам электрической сети создает в них падения напряжения, определяемые кривой тока, что и является причиной искажения синусоидальной формы напряжения в той или иной точке (узле) сети.

Наиболее распространенными источниками нелинейных искажений являются преобразователи (рис. 2.6). Ток, потребляемый преобразователем, в первом приближении имеет не синусоидальную, а трапецеидальную форму.

Этот несинусоидальный ток i (ωt ) как функция времени t изменяется периодически с частотой сети f = 50 Гц, что соответствует его угловой частоте ω = 2π f = 314 рад/с. В соответствии с известными в математике методами (разложение Фурье) несинусоидальный ток может быть представлен как сумма синусоидальных токов, каждый из которых имеет свою частоту, кратную основной. Эти составляющие называются гармониками . Тогда ток

где I n - амплитуда гармоники; n - кратность гармоники по отношению к основной частоте или порядок гармоники.

Рис.2.6. Схемы преобразователей: а – 6-пульсная; б – 12-пульсная.

Эти токи, протекая по элементам сети (линии, трансформаторы), создают на них падение напряжения. В результате напряжение в точке присоединения преобразователя (рис. 2.6) отличается от напряжения источника питания. Причем эти падения напряжения устанавливаются для каждой гармоники в отдельности так, что, суммируясь, они обусловливают несинусоидальные напряжения в указанной точке, где

Для иллюстрации такое искажение синусоидальной формы кривой показано на рис. 2.5. Результирующая кривая напряжения обусловлена наличием в ней составляющих (гармоник) 1-го порядка u (1) (основная гармоника частотой 50 Гц) и высших порядков: 3-го - u (3) и 5-го - u (5) , частота которых в 3 и 5 раз больше основной.

Так как основная частота (f = 50 Гц) может изменяться в определенных пределах, то и частота n -й гармоники изменяется. Поэтому гармоники характеризуют не частотой, а порядком, указывающим их кратность по отношению к основной частоте. Для оценки КЭ по несинусоидальности учитывают весь ряд гармоник от 2-й до 40-й. В силу различных свойств элементов сети по отношению к гармоникам и причин, обусловливающих их генерацию, различают нечетные (5, 7, 11, ...), четные (2, 4, 8, 10, ...) и кратные трем (3, 6, 9, ...) гармоники. Гармонический состав кривой напряжения характеризуют коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения K U (n ) , %:

Источниками гармонических искажений в ЭЭС являются не только преобразователи, но и другие ЭП, обладающие нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; статические тиристорные компенсаторы; трансформаторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками; преобразователи частоты ; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы.

Порядок высших гармоник тока, генерируемых преобразователями, определяется из выражения n = kp ± 1, где р - пульсность преобразователя, k = 1,2, ...

Так, для 6-пульсного преобразователя (см. рис. 2.6) характерны 5, 7, 11, 13-я... гармоники, а для 12-пульсного - 11, 13, 23, 25-я... гармоники.

Такие преобразователи применяют на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта, в приводах прокатных станов, для электролизных ванн. Уровень гармоник тока I (n ) , генерируемых такими преобразователями, может быть принят равным I (n ) = I (1) /n , где I (1) - 1-я гармоника тока основной частоты.

Бытовая аппаратура также является источником высших гармоник, так как во многом с целью автоматизации управления оснащена устройствами с нелинейными характеристиками.

Так, в цветных телевизорах используются транзисторные регуляторы или инверторы с тщательно разработанными защитами от перенапряжений и сверхтоков и малым потреблением мощности от электрической сети. Однако большое число телевизоров, подключенных к сети, сводит на нет уменьшение амплитуды тока в каждом из них. Наибольшее значение в токе, потребляемом телевизором, составляет 3-я гармоника. По данным СИГРЭ коэффициент искажения синусоидальности напряжения, обусловленный работой телевизоров, может достигать 1 % даже в сетях 220 кВ.

Другие бытовые приборы, радиоприемники, стереосистемы, зарядные устройства также генерируют токи, создающие гармоники кратные трем. Существенным источником таких гармоник являются люминесцентные лампы. При этом гармоники кратные трем от разных источников практически совпадают по фазе и, следовательно, суммируются алгебраически, т.е. их взаимной компенсации естественным путем не происходит.

Распространение гармоник тока по сети зависит от параметров и конфигурации сети. При распространении гармоник тока от их источника в направлении сети более высокого напряжения гармонические искажения напряжения обычно снижаются, т.е. К U и К U (n ) уменьшаются. Уровень этих ПКЭ в сетях низкого напряжения, наоборот, выше.

Несимметрия напряжения . Электроприемники , которые получают питание только от одной или двух фаз трехфазной сети, образуют несимметричную нагрузку. Типичным видом таких ЭП является бытовая аппаратура, освещение. В промышленности - это сварочное оборудование, индукционные печи, тяговые подстанции железнодорожного транспорта, электрифицированного на переменном токе. Суммарная нагрузка отдельных предприятий, а также коммунально-бытовая нагрузка содержат 85-90 % электроприемников, которые становятся причиной несимметрии.

В электрических сетях - это линии электропередачи , фазные провода которых в силу своего расположения обусловливают несимметричные сопротивления фаз линии. Транспозиция проводов - одна из мер, направленная на симметрирование сопротивлений фаз линии электропередачи.

Несимметричная нагрузка трехфазной системы электроснабжения приводит к тому, что токи в ее элементах и, следовательно, напряжения на них также несимметричны. Так, система напряжений, показанная на рис. 2.7, в , несимметрична, так как ее фазные напряжения U A , U B , U C и междуфазные напряжения U AB , U BC , U CA не равны между собой и сдвинуты относительно друг друга на угол, отличный от 120 °. И, наоборот, системы напряжений, приведенные на рис. 2.7, а , б , симметричны.

Для характеристики несимметрии напряжений (токов) используют метод симметричных составляющих . Согласно этому методу несимметричная трехфазная система может быть представлена в виде трех симметричных, образующих прямую U A 1 , U B 1 , U C 1 , обратную U A 2 , U B 2 , U C 2 и нулевую U A 0 , U B 0 , U C 0 последовательности. Так, например, для фазы А каждая из указанных последовательностей определяется из выражений:

где U A , U B , U C - несимметричные фазные напряжения.

Рис. 2.7. Несиметрия напряжения (в) и ее составляющие прямой(а) и обратной(б) последовательностей.

На рис. 2.7 приведена векторная диаграмма несимметричной системы и ее симметричные составляющие прямой и обратной последовательностей. Заметим, что напряжение нулевой последовательности U 0 (рис. 2.8) представляет напряжение смещения нейтрали. Его можно наблюдать в четырехпроводных системах электроснабжения, для которых обмотки питающих трансформаторов и фазы нагрузки соединены в «звезду». Образовавшиеся таким образом нейтрали объединены нулевым проводом. При этом междуфазные напряжения могут оставаться симметричными. Обрыв нулевого провода в такой сети приводит к перенапряжениям на зажимах однофазных электроприемников.

Рис. 2.8. Несиметрия напряжения (в) и ее составляющие прямой(а) и нулевой(б) последовательностей.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии напряжения основной частоты по обратной последовательности К 2 U и по нулевой последовательности К 0 U . Эти коэффициенты рассчитываются только для трехфазных систем по формулам, %:

где U 1(1) , U 2(1) , U 0(1) - действующие значения напряжения основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательностей, В.

Провалы напряжения . К провалам напряжения относится внезапное значительное снижение напряжения (более чем на 10 % от U ном) 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 (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Провал напряжения глубиной и длительностью

В отличие от ранее рассмотренных ПКЭ провалы напряжения являются совершенно случайными, но весьма вероятными событиями и характеризуют анормальные режимы работы системы электроснабжения. Можно сказать, что провалы напряжения, которые возможны в любой сети, характеризуют надежность электроснабжения, оценивая его бесперебойность. Первоначальной причиной провалов является грозовая деятельность, когда в результате попадания молнии в линию или на шины открытого распределительного устройства срабатывают средства защиты и автоматики (АПВ , АВР ) системы электроснабжения. Провалы напряжения могут быть обусловлены и ошибками оперативного персонала, и ложными срабатываниями средств защиты и автоматики. Глубина провала в той или иной точке сети тем больше, чем ближе к ней место повреждения. Длительность восстанавливаемого провала определяется совокупностью времени срабатывания средств защиты и автоматики, благодаря действию которых напряжение и может быть восстановлено.

Глубина провала напряжения рассчитывается по формуле, %:

где U ном - номинальное напряжение, В.

Форма провала напряжения может быть многоступенчатой, что вызвано действием нескольких средств защиты и автоматики.

Длительность провала напряжения рассчитывается как разница между временем восстановления напряжения t к и временем начала провала t н так, что ∆t п = t к - t н. Установлено, что длительность восстанавливаемого провала напряжения не превышает 30 с.

Характеристики провала различны для различных точек сети и зависят от схемы, типа и состояния ее оборудования, степени автоматизации и защиты.

Частость появления провалов напряжения F п вычисляется по формуле, %:

где m (δU п, ∆t п) - число провалов определенной глубины δU п и длительности ∆t п за рассматриваемый интервал наблюдения; М - суммарное число провалов напряжения за тот же интервал времени.

Таблица 2.1

Характеристики провалов напряжения для кабельных линий

В табл. 2.1 приведены в качестве примера характеристики провалов напряжения для кабельных сетей, оборудованных АВР, полученные по результатам длительных (несколько месяцев) измерений. Частость появления провалов напряжения в табл. 2.1 указана по отношению к 100 событиям, повлекшим за собой провалы напряжения различной глубины и длительности.

Сведения, представленные в виде таких таблиц, являются результатом длительных измерений, которые необходимо проводить любой электроснабжающей организации в характерных точках сети, например в точках общего присоединения потребителей. Потребитель, в свою очередь, располагая этими сведениями, так или иначе решает вопрос об обеспечении бесперебойности электроснабжения установленных в его системе электроприемников: путем резервирования питания, повышения быстродействия средств автоматики, применения автономных источников питания и систем бесперебойного питания.

Временное перенапряжение . По определению, временное перенапряжение - это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1U ном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или КЗ. Причинами появления кратковременных перенапряжений являются коммутации ненагруженных линий электропередачи, конденсаторных батарей или малонагруженных трансформаторов, подключение или отключение большой нагрузки.

Перенапряжения могут иметь периодический или апериодический характер. Их можно разделить на кратковременные, длительные (периодические) и импульсные (апериодические).

Рис. 2.10. Временное перенапряжение длительностью

На рис. 2.10 приведена форма периодического перенапряжения в общем случае. Перенапряжения представляют опасность для людей и электрооборудования, особенно если это явление длительно. Длительные перенапряжения возникают в электрических сетях с компенсированной для ограничения токов КЗ на землю нейтралью, в сетях с высокой емкостной проводимостью, четырехпроводных сетях при обрывах нейтрального провода. В сетях с изолированной нейтралью (10 и 35 кВ) допускается длительная работа при однофазном КЗ на землю. Однако при этом напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле может возрасти до междуфазного значения. Аналогичные условия возникают в четырехпроводных сетях 380 В при обрыве нейтрали. В протяженных линиях электропередачи 500, 750 кВ перенапряжения возникают в результате их разгрузки по передаваемой мощности за счет избыточной реактивной мощности, генерируемой такими линиями. Для характеристик КЭ по временным перенапряжениям применяют два параметра.

Коэффициент временного перенапряжения рассчитывается по формуле, отн. ед.:

где U a max - амплитудное значение напряжения основной частоты, В; t к.пер и t н.пер - момент (конечный и начальный) превышения уровня действующих значений напряжения, равного 1,1U ном.

Вероятные значения этих характеристик при кратковременных перенапряжениях по ГОСТ 13109-97 приведены ниже:

В среднем за год в одной точке присоединения возможны около 30 случаев перенапряжений.

Импульсные напряжения вызываются грозовыми явлениями, а также переходными процессами при коммутациях в системе электроснабжени я. В этой связи различают грозовые и коммутационные импульсы напряжения, которые существенно различаются по своим характеристикам и форме.

Импульсное напряжение - это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Рис.2.11. Осциллограмма импульса напряжения

На рис. 2.11 приведена осциллограмма импульса напряжения, а на рис. 2.12 - его общий вид и характеристики.

Рис.2.12. Характеристики импульса напряжения.

Грозовые импульсы - весьма распространенное явление. На Земле одновременно происходят около 2000 гроз, вызывая 100 разрядов молний ежесекундно. В среднем в Европе число грозовых дней в год составляет от 15 до 35, а число ударов молний, приходящихся на 1 км 2 , за год - от 1 до 5. При ударах молния попадает в грозозащитное устройство зданий и подстанций , соединенных кабелями высокого и низкого напряжения, линиями связи и управления. При одной молнии могут наблюдаться до 10 импульсов, следующих друг за другом с интервалом от 10 до 100 мс. При ударе молнии в заземляющее устройство его потенциал относительно удаленных точек повышается и достигает миллиона вольт. Это способствует тому, что в «петлях», образованных кабельными и воздушными связями, индуктируется напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт. При попадании молнии в воздушные линии вдоль линии распространяется волна перенапряжения, которая достигает сборных шин подстанции. Волна перенапряжения ограничивается либо прочностью изоляции при ее пробое, либо остаточным напряжением защитных разрядников , сохраняя при этом остаточное значение, достигающее десятков киловольт. Максимальное измеренное значение тока разряда молнии составляет в зависимости от его полярности от -200 до +300 кА, однако это - редкое явление. Обычно этот ток достигает 30-35 кА.

Коммутационные импульсы напряжения возникают при коммутациях индуктивных (трансформаторы, электродвигатели) и емкостных (конденсаторные батареи, кабели) нагрузок. Возникают они и при отключении КЗ. Значения коммутационных импульсов напряжения зависят от типа сети (воздушная или кабельная), вида коммутации (включение или отключение), характера нагрузки и типа коммутационного устройства (предохранитель, разъединитель , выключатель ).

Значения коммутационных импульсов напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса (рис. 2.12), равной 1-5 мс, приведены ниже.