Анализ влияния качества электроэнергии на работу электроприемников
Качество электроэнергии в системах электроснабжения
Общие сведения
ГОСТ 13901 - 97 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазно го и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым при соединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии ПЭ или приемники электрической энергии (точки общего присоединения).
Нормы КЭ, устанавливаемые стандартом, являются уровня ми электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего на значения. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии).
Нормы, установленные стандартом, являются обязательны ми во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения. Кроме режимов, обусловленных:
- исключительными погодными условиями и стихийными бедствиями (ураган, наводнение, землетрясение и т.п.);
- непредвиденными ситуациями, вызванными действиями стороны, не являющейся энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии (пожар, взрыв, военные действия и т.п.);
- условиями, регламентированными государственными органами управления, а также связанных с ликвидацией последствий, вызванных исключительными погодными условиями и непредвиденными обстоятельствами.
|
|
|
Нормы, установленные ГОСТом 31109-97, подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей электрической энергии и в договоры на пользование электрической энергией между электроснабжающими организациями и потребителями электрической энергии.
Согласно ГОСТу, проектные и эксплуатирующие организации должны предусматривать применение экономически обоснованных устройств и мероприятий, обеспечивающих нормированное качество электроэнергии у ее приемников. Решения отдельных организаций по размещению регулирующих и компенсирующих устройств в питающих и распределительных сетях, а также по снижению колебаний, несимметриии и несинусоидальности напряжения должны быть взаимно согласованы на основе технико-экономических обоснований.
Поддержание оптимального уровня напряжения на зажимах каждого ПЭ в общем случае нецелесообразной, в первую очередь, по экономическим соображениям. Действительно, поскольку ПЭ могут иметь неодинаковые режимы работы и находятся электрически на разном удалении от ИП (источника питания), то для поддержания оптимального напряжения на зажимах каждого из них необходимо снабдить их индивидуальными регуляторами напряжения. Очевидно, что это слишком дорого.
|
|
|
Более выгодным является групповое регулирование напряжения, когда общее регулирующее устройство устанавливается для группы ПЭ. При этом, естественно, номинальное напряжение будет поддерживаться лишь у некоторых из ПЭ, тогда как у остальных напряжение может отклоняться от номинального в большую или меньшую сторону.
Из-за этого в какой-то мере могут ухудшаться технические параметры производственных установок, отрицательно влияя на их экономичность. Однако экономия от замены индивидуально го регулирования напряжения правильно выбранным групповым, как правило, перекрывает соответствующее снижение экономичности производства.
Для обеспечения показателей качества электроэнергии у приемников по согласованию между электроснабжающей организацией и потребителем должны быть установлены значения показателей качества электроэнергии на границе раздела балансовой принадлежности электрических сетей. Контроль качества электроэнергии на границе раздела балансовой принадлежности должен осуществляться энергоснабжающей организацией и потребителем.
|
|
|
Показатели качества электроэнергии
Обеспечение качества электроэнергии на зажимах приемников электроэнергии - одна из наиболее сложных задач, решаемых в процессе проектирования и эксплуатации систем электроснабжения. Появление в системах электроснабжения мощных электродвигателей, вентильных преобразователей и других приемников с резкопеременной нагрузкой создало проблему их электромагнитной совместимости с системой электроснабжения, успешное решение которой обеспечивает рациональную работу как этих приемников, так и приемников со спокойной нагрузкой, присоединенных к той же системе (освещение, электродвигатели длительного режима работы и др.).
Показатели качества электроэнергии регламентируются требованиями ГОСТ 13109-97.
Этот ГОСТ устанавливает 11 основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ):
1. отклонение частоты df;
2. установившееся отклонение напряжения dUу;
3. размах изменения напряжения dUt
4. дозу фликера (мерцания или колебания) Pt;
5. коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu;
6. коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения Кu(n)
|
|
|
7. коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2u;
8. коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0u;
9. глубину и длительность провала напряжения dUП , dtП;
10. импульсное напряжение Uимп;
11. коэффициент временного перенапряжения KперU
При определении значений некоторых показателей КЭ используют следующие вспомогательные параметры электрической энергии:
1. частоту повторения изменений напряжения FdUt;
2. интервал между изменениями напряжения Dti,j+1;
3. глубину провала напряжения dUп;
4. частоту появления провалов напряжения Fп;
5. длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды Dtимп0,5;
6. длительность временного перенапряжения DtперU.
Установлены два вида норм ПКЭ: нормально допустимые (норм.) и предельно допустимые (пред.).
Свойства электрической энергии, показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ приведены в табл. 1.1
Таблица 1.1 Свойства электрической энергии, показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
| Свойства электрической энергии | Показатель КЭ | Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ |
| Отклонение напряжения | Установившееся отклонение напряжения dUу | Энергоснабжающая организация |
| Колебания напряжения | Размах изменения напряжения dUt Доза фликера Pt | Потребитель с переменной нагрузкой |
| Несинусоидальность напряжения | Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения Кu(n) | Потребитель с нелинейной нагрузкой |
| Несимметрия трехфазной системы напряжений | Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2u Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0u | Потребитель с несимметричной нагрузкой |
| Отклонение частоты | Отклонение частоты df | Энергоснабжающая организация |
| Провал напряжения | Длительность провала напряжения dtП | Энергоснабжающая организация |
| Импульс напряжения | Импульсное напряжения Uимп | Энергоснабжающая организация |
| Временное перенапряжение | Коэффициент временного перенапряжения KперU | Энергоснабжающая организация |
Соответствие перечисленных параметров ГОСТу способствует увеличению выпуска продукции и общей рентабельности производства.
Отклонение напряжения
Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения текущего значения напряжения U от номинального значения Uном:
. (1.1)
При понижении напряжения возрастает скольжение и уменьшается частота вращения асинхронных двигателей, являющихся основными приемниками электроэнергии. При этом возрастает сила потребляемого тока, двигатели перегреваются и, быстрее изнашивается изоляция. Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому при его понижении затрудняются пуск и самозапуск двигателей под нагрузкой. В связи с этим установлены пределы отклонения напряжения на зажимах электродвигателей, станций управления от -5 до +10%.
Весьма чувствительны к изменению напряжения косинусные конденсаторы. Их реактивная мощность пропорциональна квадрату подводимого напряжения. Таким образом, при понижении напряжения на 10% мощность конденсатора снизится до 81%. Повышение напряжения на 10% увеличивает реактивную мощность конденсатора до 121% и приводит к его перегрузке, по этому для конденсаторов допускается увеличение напряжения не более чем на 10%.
Значительное влияние отклонение напряжения, оказывает, на работу электросварочных установок, ухудшая качество сварки. Для рационального ведения этого процесса отклонение напряжения на сварочных установках должно составлять ±5%.
Жесткие требования к качеству напряжения предъявляют осветительные установки. При отклонениях напряжения изменяются сила света ламп накаливания и срок их службы. Сила света изменяется при этом пропорционально изменению напряжения в третьей-четвертой степени. Повышение напряжении на 10% сокращает срок службы ламп накаливания примерно в 3 раза. ГОСТ 13109-97 допускает отклонения напряжения im зажимах электроосветительных приборов от -2,5 до +5%.
Колебания напряжения
Источниками колебаний напряжения являются потребители электроэнергии с резкопеременным графиком потребления мощности (особенно реактивной).
Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения dUt, частотой повторения изменений напряжения FdUt, интервалом между изменениями напряжения Dti,j+1; дозой фликера Pt.
Возникая в какой-либо точке электрической сети и распространяясь по ней, колебания напряжения оказывают отрицательное воздействие на чувствительные к ним электроприемники, в основном на осветительные.
Размах изменения напряжения - разность между следующими друг за другом действующих значений напряжения любой формы, то есть между следующими друг за другом максимальным и минимальным значениями огибающей действующих значений напряжения.
Огибающая действующих (среднеквадратичных) значений напряжения- ступенчатая временная функция, образованная действующими значениями напряжения, определенными на каждом полупериоде напряжения основной частоты.
Если огибающая действующих значений напряжения имеет горизонтальные участки (при спокойном графике нагрузки), то размах изменения напряжения dUt определяется как разность между соседними экстремумом (максимумом Umaxили минимумом Umin) и горизонтальным участком или как разность между соседними горизонтальными участками (рис. 1.1):
. (1.2)
Частота повторения изменения напряжения - число одиночных изменений напряжения в единицу времени:
,(c-1,мин-1,час-1) (1.3)
где m - число изменений напряжения со скоростью изменения более 1% в секунду за время Т.
Длительность изменения напряжения Dti,j+1 - интервал времени от начала одиночного изменения напряжения до его конечного значения (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Колебания напряжения (пять размахов изменений напряжения)
Фликер (мерцание) - субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.
Доза фликера Рt - мера восприимчивости человека к воз действию фликера за установленный промежуток времени, то есть интегральная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение мерцаниями (миганиями) светового потока. Дозу фликера напряжения в процентах в квадрате вычисляют по выражению
(1-4)
где dUf - действующие значения составляющих разложения в ряд Фурье изменений напряжения с размахом dUt, gf - коэффициент приведения действительных размахов изменения напряжения к эквивалентным; TOCP = 10 мин - интервал времени осреднения.
Время восприятия фликера - минимальное время для субъективного восприятия человеком фликера, вызванного колебаниями напряжения.
Предельно допустимые значения размаха изменения напряжения dUt в точках общего присоединения к электрическим сетям в зависимости от частоты повторения изменений напряжения FdUt или интервала между изменениями напряжения Dti,j+1 равны значениям, определяемым по кривым рис. 1.2. Кривая 1 - для потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания. Кривая 2 - в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение. Перечень помещений с разрядами работ, требующих значительного зри тельного напряжения, устанавливают в нормативных документах, утверждаемых в установленном порядке.
Рис. 1.2. Зависимости частоты допустимых изменений напряжения от частоты их появления
Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения dUy, и размаха изменений напряжения dUt в точках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10% от номинального напряжения.
Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера PΣt при колебаниях напряжения равно 1,38, а для дли тельной дозы фликера PLt при тех же колебаниях напряжения равно 1,0.
Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч.
Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера PSt. в точках общего присоединения потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равно 1,0, а для длительной дозы фликера PLt в этих же точках равно 0,74.
Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока
Внедрение ПЭ с нелинейными вольт - амперными характеристиками, но обеспечивающими увеличение экономической эффективности производства, привело к отрицательному влиянию этих приемников на электрические параметры режима сети. К таким ПЭ относятся: вентильные преобразователи (ртутные и полупроводниковые), установки электросварки, газоразрядные источники света, а также трансформаторы и электродвигатели. Характерной особенностью этих устройств является потребление ими из сети несинусоидальных токов при подведении к их зажимам несинусоидального напряжения.
Высшие гармонические токи и напряжения обусловливают дополнительные потери электроэнергии, приводят к нагреву электрооборудования и увеличивают интенсивность старения его изоляции и изоляции кабелей. Особенно неблагоприятное влияние эти гармоники оказывают на работу конденсаторных батарей, вызывая дополнительные потери и даже выход их из строя.
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.
Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:
- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;
- коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu, %, является отношением суммарного действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения основной гармоники, причем п ≥ 2:
. (1.5)
При определении коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения допускается не учитывать гармонические составляющие порядка п > 40 или действующее значение которых менее 0,3 от U(1).
Коэффициент n-й гармонической составляющей KU(n), %, является отношением действующего значения напряжения n-й гармоники U(n), к действующему значению напряжения первой гармоники:
(1.6)
Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2 Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, %
| Нормально допустимое значение при Uном, кВ | Предельно допустимое значение при Uном, кВ | ||||||
| 0,38 | 6...20 | 35 | 110...330 | 0,38 | 6...20 | 35 | 110...330 |
| 8,0 | 5,0 | 4,0 | 2,0 | 12,0 | 8,0 | 6,0 | 3,0 |
Нормально допустимые значения коэффициента KU(n)норм n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями Uном приведены в ГОСТе 13109-97.
Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле
. (1.7)
ГОСТ 13109 - 97 нормирует форму кривой напряжения у приемников электроэнергии, допуская отклонение действующего напряжения всех высших гармоник от действующего напряжения основной частоты не более 5%.
Для снижения уровня влияния высших гармоник на напряжение устанавливают силовые фильтры, уменьшают число фаз выпрямления.
Несимметрия напряжения
При появлении в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности нарушается симметрия напряжений трехфазной системы. Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии обратной последовательности K2u, %, и нулевой последовательности K0u, %, которые представляют собой отношение действующего значения напряжения соответственно обратной и нуле вой последовательности к действующему значению напряжения прямой последовательности (к номинальному напряжению):
где U2(1) и U0(1) - действующие значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений, В и кВ.
Допустимые значения этих показателей следующие: в нормальном режиме K2uнорм = K0uнорм = 2%; предельно допустимые K2uпред = K0uпред = 4%.
Несимметрия напряжений в системах электроснабжения оказывает значительное влияние на работу отдельных элементов сети и приемников электрической энергии. При несимметрии напряжений, обусловленных несимметричной нагрузкой, в статорах синхронных машин проходят токи прямой, обратной и нулевой последовательности, что вызывает нагрев ротора и увеличение вибрации, в некоторых случаях опасной для конструкции машин. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжений сказывается на работе и сроке службы асинхронных машин. При несимметрии напряжений конденсаторные установки неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, мощность многофазных выпрямителей снижается.
При несимметричном режиме токи нулевой последовательности постоянно проходят через заземлители и отрицательно сказываются на их работе, вызывая высушивание грунта и увеличение сопротивления растеканию. Они оказывают значительное влияние на низкочастотные каналы проводной связи, сигнализации и автоблокировки.
В системах электроснабжения различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы. Кратковременные несимметричные режимы обычно связаны с различными аварийными процессами, например несимметричными короткими замыканиями, обрывами одного или двух проводов воздушной линии с замыканием на землю и т.п. Длительные несимметричные режимы обычно обусловлены несимметрией элементов электрической сети или подключением к системе электроснабжения несимметричных нагрузок.
Несимметрия напряжений и токов, обусловленная несимметрией элементов электрической сети, называется продольной. Примером продольной несимметрии могут служить неполнофазные режимы воздушных линий. Несимметрия характерна также для специальных систем электропередачи: два провода - земля (ДПЗ); два провода - рельсы (ДПР), два провода - труба (ДПТ) и т.д.
Несимметрия напряжений и токов, вызванная подключением к сети много- и однофазных несимметричных нагрузок, называется поперечной.
Провал напряжения
Внезапное значительное снижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9·Uном за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд (рис. 1.3), называют провалом напряжения.
Он характеризуется глубиной dUп (по отношению к значению напряжения в нормальном режиме) и длительностью Dtп.
Рис. 1.3. Провал напряжения
Провал напряжения:
или 
. (1.9)
Длительность провала напряжения Dtп - интервал времени между начальным моментом провала напряжения tн и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня tк
Dtп= tн - tк. (12.10)
Глубина провала напряжения может изменяться от 10 до 100%, длительность - от сотых до нескольких десятых секунды (в некоторых случаях - секунды).
Вспомогательной характеристикой является частота появления провалов напряжения Fп - число провалов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени по отношению к общему числу провалов за этот же промежуток времени.
Основной причиной появления провалов напряжения в системе электроснабжения являются короткие замыкания в от ходящих от цепи питания данного узла нагрузки ответвлениях электрической сети высокого (35...220 кВ), среднего (6...10 кВ) напряжений и в сетях с напряжением до 1 кВ.
Провалы напряжения не нормируются поскольку они неизбежны настолько же, насколько неизбежны короткие замыкания. Однако знать статистику по частоте, глубине и длительности провалов напряжения в системе электроснабжения необходимо для аргументированного использования агрегатов и источников бесперебойного питания с целью электроснабжения особенно чувствительных к провалам напряжения потребителей. К ним относятся: электронные микропроцессорные устройства управления, компьютеры, серверы и ряд других.
Импульсные напряжения и временные перенапряжения
Рис. 1.4. Точки присоединения электрической сети общего назначения
Импульсные напряжения - это резкое изменение напряжения в точке электрической сети рис. 1.4, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близ кого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд (то есть меньше полупериода).
Импульсное напряжение характеризуют следующие величины:
- амплитуда импульса - максимальное мгновенное значение импульса напряжения;
- длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня; часто длительность импульса оценивается по уровню 0,5 его амплитуды Dtимп0,5.
В электрическую сеть напряжением 220...380 В может проникать импульсное напряжение до 3...6 кВ. Наиболее чувствительны к импульсным напряжениям электронные и микропроцессорные элементы систем управления и защиты, компьютеры, серверы и компьютерные станции.
Основным способом защиты от импульсных напряжений является использование ограничителей перенапряжения (ОПН) на основе металлооксидных соединений.
Временное перенапряжение - это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1·Uном продолжительностью более Юме, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.
Коэффициент временного перенапряжения КперU - величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.
Длительность временного перенапряжения DtперU - интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.
Расчетные значения грозовых (табл. 1.3) и коммутационных импульсных напряжений (табл. 1.4) в точках присоединения электрической сети общего назначения (рис. 1.4) приведены для фазных номинальных напряжений сети и справедливы при условии, что распределительные устройства и линии электропередачи в электрических сетях энергоснабжающей организации и потребителей выполнены в соответствии с Правилами устройства электроустановок.
Формы грозовых импульсов, характерные для данных то чек, указаны на рис. 1.5-1.7 грозовых импульсных напряжений в электрической сети потребителя могут превышать указанные в табл. 1.3 значения за счет грозовых поражений в самой сети потребителя за счет отражений и преломлений грозовых импульсов в сети потребителя и частично - за счет разброса параметров грозовых импульсов.
Таблица 1.3 Грозовые импульсные напряжения, кВ
| Место расположения точек присоединения | Варианты точек на рис. 1.4 | Номинальное напряжение сети, кВ | |||||||
| 6 | 10 | 35 | 110 | 220 | 330 | 500 | 750 | ||
| Воздушная линия (ВЛ) | а, в б1 | 100 160 2000 | 125 | 325 | 800 | 1580 | 1890 | 2730 | 3570 |
| Кабельная линия(КЛ) | г е2 д, ж3 | 100 | 125 | 325 | 800 | 1580 | - | - | - |
| 34 | 48 | 140 | 350 | 660 | - | - | - | ||
| - | - | - | - | - | - | - | - | ||
| Силовой трансформатор (ТР) | з, з', и4 и' | 60 | 80 | 200 | 480 | 750 | 1050 | 1550 | 1950 |
| 34 | 48 | 140 | 350 | 660 | - | - | - | ||
Примечания. 1 В варианте точек присоединения б в числителе указано импульсное напряжение на металлических и железобетонных опорах, в знаменателе - на деревянных опорах.
2 Грозовые импульсные напряжения в точке присоединения е со ответствуют случаю отсутствия воздушной линии электропередачи на стороне вторичного напряжения UH2 трансформатора Тр2 (рис. 1.4) и значениям напряжений обмоток Тр2 UH1,UH2, соответствующим двум номинальным напряжениям, расположенным рядом в шкале стандартных напряжений (например 35 и 10 кВ, 110 и 220 кВ и т.д.).
При других сочетаниях номинальных напряжений Тр2 (например 110 и 10 кВ, 35 и б кВ и т.д.) грозовые импульсные напряжения, проходящие через обмотки трансформатора, меньше указанных значений.
3 При наличии на распределительной подстанции типа РП-Б, РП-В (рис. 12.4) воздушных линий электропередачи значения грозовых импульсных напряжений в точках присоединения д, ж такое же, как в варианте точек присоединения г и в. При отсутствии на распредели тельной подстанции типа РГ1-Б, РП-В воздушных линий электропередачи грозовые импульсные напряжения в точках присоединения д и ж опре деляются значениями импульсных напряжений в начале кабельной линии (точки г и в), уменьшенными в соответствии с данными по затуханию грозовых импульсов в кабельных линиях в зависимости от длины линии.
4 Указанные в данной строке значения импульсных напряжений справедливы при условии расположения точек общего присоединения з, з, ,и на вводах силового трансформатора и наличии связи рассматриваемой обмотки с воздушной линией. При отсутствии связи (точка и' на рис. 1.4) импульсные напряжения соответствуют точке присоединения е.
Таблица 1.4 - Значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1000-5000 мкс
| Номинальное напряжение сети, кВ | 0,38 | 3 | 6 | 10 | 20 | 35 | 110 | 220 |
| Коммутационное импульсное напряжение, кВ | 4,5 | 15,5 | 27 | 43 | 85,5 | 148 | 363 | 705 |
Рис. 1.5. Форма грозовых им пульсов, характерная для точек присоединения а, в, г, д на рис. 1.4.
Рис. 1.6. Форма грозовых им пульсов, характерная для точек присоединения, проходящих через выводы силового трансформатора, рассматриваемая обмотка которого имеет связь с ВЛ (точки присоединения з, з', и на рис. 1.4)
Рис. 1.7. Форма грозовых импульсов, характерная для точек присоединения б, е, ж на рис. 1.4.
Таблица 12.5 Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений
| Длительность временного перенапряжения DtперU, с | До 1 | До 20 | До 60 |
| Коэффициент временного перенапряжения КперU, о.е | 1,47 | 1,31 | 1,15 |
В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 временных перенапряжений.
При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность - нескольких часов.
Вероятность превышения указанных в табл. 1.4. значений коммутационных импульсных напряжений составляет не более 5%, а значений грозовых импульсных напряжений (табл. 1.3) - не более 10% для воздушных линий с металлическими и железобетонными опорами и 20% - для воздушных линий с деревянными опорами.
Причины отклонения частоты в электрической системе
Отклонение частоты в электрической системе, Гц, характеризует разность между действительным f и номинальным значениями частоты fном переменного тока в системе электроснабжения и определяется по выражению
df = f - fнoм. (1.11)
При нормальном режиме работы энергетической системы допускаются отклонения частоты, усредненные за 10 мин, ±0,1 Гц.
Временная работа энергетической системы разрешается с отклонением частоты, усредненным за 10 мин, +0,2 Гц.
Колебания частоты - это изменения частоты, происходящие со скоростью 0,2 Гц/с. Колебания частоты df- разность наибольшего fнб и наименьшего fнм значений основной частоты за определенный промежуток времени:
в Гц:
df = fнб - fнм (1.12)
или в %:
. (1.13)
Частота во всей энергетической системе (связанной сетями переменного тока) при установившемся режиме одинакова и определяется частотой вращения генераторов. Однако часто та вращения роторов генераторов определяется частотой вращения роторов турбин, которые имеют специальный регулятор частоты вращения (первичное регулирование), обладающий сравнительно большой инерцией (до 5%). Это значит, что частота вращения ротора турбины зависит от механической нагрузки на ее валу и определяется расходом энергоносителя (пар, вода). Электрическая нагрузка турбин непрерывно изменяется, поэтому должна изменяться и частота вращения генераторов (турбогенераторов); при росте нагрузки частота вращения (и частота сети) снижается, а при уменьшении возрастает.
Поддержание допустимого размаха колебаний частоты в энергетических системах во время аварийного отключения источников питания обеспечивается устройствами аварийной автоматической разгрузки по частоте (ААРЧ), которые отключают часть менее ответственных потребителей.
Нормализация параметров качества электроэнергии в каждом отдельном случае решается по разному.
Значения показателей качества электроэнергии должны находиться в допустимых пределах с вероятностью 0,95 за установленный период времени. Показатели качества, выходящие за допустимые пределы с вероятностью не более 0,05, должны в случае необходимости ограничиваться по величине и длительности по согласованию с энергоснабжающей организацией.
Анализ влияния качества электроэнергии на работу электроприемников
Анализ влияния отклонения частоты в электросистеме на работу электроприемников
На работу электроприемников влияют электромагнитные и технологические отклонения частоты. Электромагнитная составляющая образуется за счет увеличения потерь активной мощности и роста потребления активной и реактивной мощностей. Можно считать, что снижение частоты на 1% увеличивает потери в сетях на 2%.
Технологическая составляющая вызвана в основном недовыпуском промышленными предприятиями продукции. Согласно экспертным оценкам, значение технологического ущерба на порядок выше электромагнитного.
Анализ работы предприятий с непрерывным технологическим процессом показал, что большинство технологических линий оборудовано механизмами с постоянным и вентиляторным моментами сопротивлений, а их приводами служат асинхронные двигатели. Частота вращения роторов этих двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зависит от частоты вращения ротора двигателя. При значительном повышении частоты в энергосистеме, например, в случае «сброса» нагрузки, возможно повреждение оборудования.
Пониженная частота в электрической сети влияет на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных элементов.
Влияние изменения нагрузки потребителей при изменении частоты можно проанализировать с помощью статических характеристик обобщенного узла нагрузки от частоты, приведенных на рис. 2.1.
Из рис. 2.1 видно, что снижение частоты до значения 
, при водит к увеличению потребляемой нагрузкой реактивной мощности Q* до значения Q*1, а это влечет за собой понижение напряжения в узле присоединения нагрузки. При этом потребляемая активная мощность снижается до Р*1. Обычно увеличение потребляемой реактивной мощности выше, чем снижение активной мощности, что приводит к увеличению перетоков полной мощности по элементам сети и, следовательно, к увеличению потерь мощности и энергии в сети.
Рис. 2.1 - Статические характеристики обобщенного узла нагрузки от частоты
Нагрузки потребителей в сети могут изменяться различным образом. При малых изменениях нагрузки в системе требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты в системе может производится на одной, так называемой частотно-регулирующей станции. При больших изменениях нагрузки увеличение мощности должно быть предусмотрено на значительном числе станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемыми изменениями нагрузок потребителей заранее составляются графики соответствующего изменения нагрузки электростанций. При этом предусматривается экономическое распределение нагрузок между станциями.
При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно работающие части. В некоторых из них мощность электростанций может оказаться недостаточной для поддержания частоты и будут наблюдаться большие изменения частоты. Это, как уже отмечалось, приведет к резкому снижению производительности оборудования собственных нужд электростанций (питательных и циркуляционных насосов, дымососов и т.д.), что вызовет дальнейшее значительное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из параллельной работы. Для предотвращения общесистемных аварий в подобных случаях предусматривают специальные автоматические устройства частотной разгрузки (АЧР), отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей.
После ликвидации дефицита мощности, например, после включения резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (АПВЧ) включают отключенных потребителей, и нормальная работа системы восстанавливается.
Анализ влияния уменьшения и увеличения напряжения на работу электроприемников
Все приемники электроэнергии спроектированы для работы при номинальном напряжении и должны обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную ГОСТ величину. В пределах этого рабочего диапазона изменения напряжения могут изменяться значения выходного параметра приемника электроэнергии, например, освещенность у электроосветительной установки, полезная мощность на валу электродвигателя и т.д.
Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения.
Статическую характеристику по напряжению для ламп накаливания приближенно можно записать так:
(2.1)
где Uп* - относительное значение напряжения Uп на приемнике электроэнергии от номинального Uпном; рл.н·Uп, рл.н·Uпном - активная нагрузка лампы накаливания при напряжении Uп и при номинальном напряжении Uпном.
Исследования показали, что при изменении напряжения изменяется освещенность, световой поток и срок службы лампы. На каждый процент понижения напряжения световой поток уменьшается приблизительно на 3,6%. Срок службы увеличивается приблизительно на 1,3%.
Люминесцентные лампы также изменяют свое потребление с изменением напряжения. Статическую характеристику по напряжению для активной мощности люминесцентных ламп приближенно можно записать так:
(2.2)
для реактивной мощности
(2.3)
Регулирующий эффект люминесцентных ламп по схеме с расщепленной фазой равен примерно 1,9 для активной мощности, а для реактивной мощности регулирующий эффект для люминесцентных ламп может быть оценен величиной 1,5. Срок службы люминесцентных ламп изменяется с изменением напряжения: на 1% понижения напряжения срок службы в среднем увеличивается на 2%.
Для ламп ДРЛ с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) регулирующий эффект по реактивной мощности равен 4,5.
Электрохимические и электролизные установки работа ют на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8...0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению производительности, а повышение напряжения - к недопустимому перегреву ванн электролизера.
Работа электротермических установок при значительном снижении напряжения существенно ухудшается, так как увеличивается длительность технологического процесса.
Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением
0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект активной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряжения приводит к перерасходу электроэнергии.
Индукционные плавильные печи промышленной частоты и повышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.
Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 - для дуговой сварки и 0,7 - для контактной. При снижении напряжения до Uном время сварки увеличивается на 20%, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1) Uном возникает брак сварных швов.
Вентильные преобразователи обычно имеют систему автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регулирования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем. Регулирующие эффекты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизером для активной мощности 3,5; для реактивной мощности 7,6.
Силовые трансформаторы. Потери активной мощности в стали трансформаторов изменяются пропорционально квадрату изменения величины напряжения, приходящейся на виток первичной обмотки трансформатора. При напряжении сети, на а% отличающемся от напряжения ответвления трансформатора, потери активной мощности в стали можно с достаточной точностью найти по формуле
(2.4)
где DРст.ном - потери в стали при номинальном напряжении.
Намагничивающая мощность трансформаторов резко меняется с изменением напряжения, подводимого к трансформатору. Намагничивающая мощность изменяется пропорционально пятой степени напряжения и может быть определена по формуле
(2.5)
где DQcm.ном - намагничивающая мощность трансформатора при номинальном напряжении.
Потери в реактивном сопротивлении трансформатора можно считать изменяющимися пропорционально квадрату намагничивающей силы первичной обмотки. При напряжении на а% выше напряжения ответвления потери реактивной мощности в обмотках трансформатора могут быть найдены по формуле
(2.6)
где DQм.ном - потери в реактивном сопротивлении рассеяния трансформатора при номинальном напряжении.
Статические характеристики потерь мощности в стали транс форматоров напряжением 10/0,4 кВ:
(2.7)
Конденсаторы. Реактивная мощность конденсаторов, как и любого постоянного сопротивления, пропорциональна квадрату напряжения:
(2.8)
где Хс - сопротивление конденсаторной батареи; знак минус поставлен потому, что знак емкостного сопротивления противоположен знаку индуктивного сопротивления, принимаемому положительным. Регулирующий эффект батареи конденсаторов отрицателен и равен - 2. Это значит, что при понижении напряжения в сети мощность конденсаторов снижается пропорционально квадрату напряжения.
Асинхронные двигатели. На характер статических характеристик асинхронного двигателя наибольшее влияние оказывают номинальная мощность двигателя, его коэффициент за грузки и коэффициент, учитывающий изменение момента сопротивления производственного механизма при изменении скорости вращения ротора двигателя.
Зависимости регулирующих эффектов нагрузки АД по активной а1 и по реактивной b1л мощности от его коэффициента нагрузки кз при коэффициенте сопротивления механизма α= 0, показаны на рис. 2.2 и 2.3.
Рис. 2.2. Регулирующие эффекты нагрузки АД по активной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α =0
Рис. 2.3. Регулирующие эффекты нагрузки АД по реактивной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α =0
При изменении напряжения на зажимах двигателя на 1% от номинального происходит изменение е ту же сторону потребляемой активной мощности на 0,05...0,35%, а реактивной мощности - на 0,8...3,2% при изменении кз от 1 до 0.
Следовательно, снижение напряжения, подводимого к АД, в допустимых пределах может привести к снижению потребления мощности. При этом эффективность снижения потребления реактивной мощности увеличивается с уменьшением номинальной мощности и коэффициента загрузки двигателя.
Анализ влияния колебаний напряжения на работу электроприемников
Воздействие колебаний напряжения на осветительные установки, влияющие на зрение человека, определяет ГОСТ 13109- 97. Мигание ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Степень раздражения органов зрения зависит от величины и частоты мигания. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывают мигания света с частотой 3...10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны (см. п. 1.4): менее 0,5%. Степень воздействия зависит от типа источника света. При одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают значительно большее воздействие, чем газоразрядные лампы.
Если колебания напряжения превысят 10%, то может произойти погасание газоразрядных ламп. Зажигание их в зависимости от типа ламп происходит через несколько секунд или даже минут. При глубоких колебаниях напряжения (более 15%) мо гут отпасть контакты магнитных пускателей, вызвав нарушения технологии производства, выйти из строя конденсаторы, а так же вентильные выпрямительные агрегаты.
На металлургических заводах к числу приемников, чувствительных к колебаниям напряжения, относятся станы непрерывной прокатки.
При колебаниях напряжения возникают качания турбогенераторов, Для самих турбогенераторов такие качания не опасны, однако, передаваясь на лопатки турбины, они могут привести в действие регуляторы скорости. Существенное влияние оказывают колебания напряжения на работу асинхронных двигателей небольшой мощности. Колебания недопустимы для асинхронных приводов текстильного, бумагоделательного и других производств, предъявляющих особенно высокие требования к точности поддержания частоты вращения.
Колебания напряжения с размахом 5% вызывают резкое увеличение износа анодов электролизных установок и сокращение срока их службы. Колебания напряжения отрицательно влияют на контактную сварку. Это воздействие сказывается как на качестве самого сварочного процесса, так и ненадежности работы управления сваркой. На качество напряжения в сетях контактной сварки накладываются жесткие ограничения по раз маху изменений напряжения: 5% для сварки обычных сталей и 3% для сварки титановых и других жаропрочных сталей и сплавов. Продолжительность допустимых колебаний напряжения для аппаратуры управления машинами контактной сварки ограничивается величиной не более 0,2 с во избежание ложной работы этих устройств.
Колебания напряжения негативно влияют на работу радиоприборов, нарушая их нормальную работу и снижая срок службы. Помехи в телевизионных изображениях проявляются при частотах 0,5...3 Гц и заметны, главным образом, при неподвижных изображениях.
Чувствительны к колебаниям напряжения также вычислительные машины, рентгеновские установки и т.д. При работе ЭВМ в режиме управления иногда оказывается достаточным одного-двух колебаний напряжения с размахом 1... 1,5%, что бы произошел сбой в какой-либо ячейке машины и возникли ошибки в командах управления или при производстве расчетов.
Анализ влияния несимметриии напряжения на работу электроприемников
При появлении в трехфазной сети напряжения обратной последовательности ухудшается режим напряжений как трех фазных, так и однофазных электроприемников. Это следует из анализа приведенных на рис. 2.4 векторных диаграмм: прямой, обратной последовательностей и результирующих напряжений. В асинхронных двигателях несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5...7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляющей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его располагаемая мощность. Быстро ста реет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при коэффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.
Рис. 2.4. Влияние появления напряжения обратной последовательности на величину результирующих напряжений сети: а- векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б- век торная диаграмма напряжений обратной последовательности; в- векторная диаграмма результирующих напряжений
При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных приемников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств.
Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние несимметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.
Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам.
Это делает невозможным полное использование их установленной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения).
Несимметрия напряжения значительно влияет и на электрическое освещение. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением.
Несимметрия усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.
Анализ влияния несинусоидальности напряжения на работу электроприемников
Чтобы оценить влияние напряжения высших гармоник на напряжение в сети рассмотрим, процесс изменения мгновенного (или действующего) значения напряжения на зажимах электроприемиика в этом случае (рис. 2.5).
Рис. 2.5 Влияние напряжения высшей гармоники на результирующее напряжение сети
Если допустить, что в сети появляется напряжение высшей гармоники с порядковым номером 2 (вторая гармоника), то очевидно, что возрастает амплитудное значение напряжения, а также его действующее значение.
При этом воздействие тока второй гармоники (f = 100 Гц) аналогично воздействию обратной последовательности, тока третьей гармоники (f = 150 Гц) - появлению нулевой последовательности. Появлению тока гармоники с большим порядковым номером сопутствует поверхностный эффект (вытеснение тока к поверхности проводника). Это приводит к дополнительным потерям тепла, нагреву изоляции электрооборудования и снижению срока его службы.
Несинусоидальные режимы в целом обладают теми же недостатками, что и несимметричные. Однако несинусоидальные токи приводят к большему дополнительному нагреву вращающихся машин, а также к большему дополнительному нагреву, увеличению диэлектрических потерь в конденсаторах и кабелях.
Проявление высших гармоник в сети приводит к нарушениям работы устройств телемеханики, автоматики, релейной за щиты, возможно возникновение резонансных режимов на высших гармониках (при этом резко возрастают токи и напряжения на отдельных участках).
Контроль КЭ и основные требования к цифровым средствам измерений
Контроль за соблюдением энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии требований стандарта осуществляют органы надзора и аккредитованные в установленном порядке испытательные лаборатории по качеству электрической энергии.
Контроль качества электрической энергии в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к системам электроснабжения общего назначения проводят энергоснабжающие организации (см. рис. 1.4). Указанные организации выбирают точки контроля в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке, и определяют периодичность контроля.
Периодичность измерений показателей КЭ устанавливают:
- для установившегося отклонения напряжения - не реже двух раз в год в зависимости от сезонного изменения нагрузок в распределительной сети центра питания, а при наличии автоматического встречного регулирования напряжения в центре питания - не реже одного раза в год. При незначительном изменении суммарной нагрузки центра питания и неизменности схемы сети и параметров ее элементов допускается увеличивать интервал между контрольными измерениями для установившегося отклонения напряжения;
- для остальных показателей - не реже одного раза в 2 года при неизменности схемы сети и ее элементов и незначительном изменении нагрузки потребителя, ухудшающего качество электроэнергии.
Конкретные сроки проведения периодического контроля качества электроэнергии в точках присоединения потребителей к системе электроснабжения общего назначения устанавливаются электроснабжающей организацией в эксплуатационных режимах, соответствующих нормальным схемам или длительным ремонтным схемам сетей общего назначения.
Потребители, ухудшающие качество электрической энергии, должны проводить контроль в точках собственных сетей, ближайших к точкам общего присоединения указанных сетей к электрической сети общего назначения, а также на выводах приемников электрической энергии, являющихся источниками кондуктивных электромагнитных помех.
Периодичность контроля качества электрической энергии устанавливает потребитель электрической энергии по согласованию с энергоснабжающей организацией.
Контроль качества электрической энергии, отпускаемый тяговыми подстанциями переменного тока в электрические сети напряжением 6-35 кВ, следует проводить:
- для электрических сетей 6-35 кВ, находящихся в ведении энергосистем,- в точках присоединения этих сетей к тяговым подстанциям;
- для электрических сетей 6-35 кВ, не находящихся в ведении энергосистем,- в точках, выбранных по согласованию между тяговыми подстанциями и потребителями электрической энергии, а для вновь строящихся и реконструируемых (с заменой трансформаторов) тяговых подстанций - в точках присоединения потребителей электрической энергии к этим сетям.
При измерении показателей КЭ с помощью цифровых средств измерений, реализующих алгоритм быстрого преобразования Фурье, в качестве /-го наблюдения исследуемой вели чины допускается рассматривать значение этой величины, полученное на выборке напряжения с шириной измерительного окна в соответствии с требованиями, указанными в табл. 2.1.
Таблица 2.1
| Характер изменения напряжения | Рекомендуемая ширина измерительного окна Tw, с | Дополнительные требования |
| Установившийся | 0,1-0,5 | Допускаются пробелы между окнами |
| Быстроизменяющийся, колеблющийся | 0,32 при прямоугольном окне 0,4-0,5 при окне Хеннинга | Не допускаются пробелы между окнами Должно обеспечиваться перекрытие смежных окон на 50% |
| Переходный | 0,08-0,16 при прямоугольном окне | Не допускаются пробелы между окнами |
Примечание. Общее время i-го наблюдения для определения усредняемого за 3 с значения показателя КЭ должно быть не более 10 с, если допустимы пробелы между окнами выборки. При этом окна выборок должны быть равномерно распределены на интервале обще го времени i-го наблюдения и суммарная ширина окон должна быть равна 3 с
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 952; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!