Материал: Лекция №15 2-я редакция

15. Лекция №15

15.1. Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников и электрических аппаратов

Качество электроэнергии характеризуется определенными показателями, относящимися к частоте переменного тока и режиму напряжений (качество напряжения). Качество электроэнергии влияет на работу электроприемников, а также на работу электрических аппаратов, присоединенных к электрическим сетям. Все электроприемники и аппараты характеризуются определенными номинальными параметрами ( и т. д.)[1]. Обычно предполагается, что работа при этих параметрах является наиболее целесообразной с технической и экономической точек зрения. Изменения частоты и напряжения по сравнению с номинальными значениями вызывают изменения технических и экономических показателей работы электроприемников и аппаратов.

Изменение напряжения оказывает неблагоприятное влияние на работу осветительных ламп и асинхронных двигателей, составляющих вместе с лампами значительную часть всех приемников электроэнергии в системе. К отрицательным последствиям приводит как понижение, так и повышение напряжения на зажимах этих приемников по отношению к номинальному значению. При напряжении, на 5% меньшем номинального, световой поток уменьшается на 18%, а снижение напряжения на 10% приводит к уменьшению потока уже более чем на 30%.

При работе ламп накаливания с напряжением, превышающим номинальное значение, их световой поток заметно повышается, но вместе с тем значительно уменьшается их срок службы. Так, при повышении напряжения на 10% световой поток ламп увеличивается примерно на 30%, а срок службы ламп сокращается почти в 3 раза.

Снижение напряжения особенно опасно в сети электрической системы, характеризующейся невысоким уровнем устойчивости. Здесь понижение напряжения может явиться причиной массового останова асинхронных двигателей и возникновения тяжелой системной аварии. Уменьшение крутящего момента, пропорционально квадрату напряжения на зажимах двигателей, приводит к остановке или к невозможности запуска двигателей. При пониженном напряжении у двигателей ухудшается к.п.д. и происходит процесс более интенсивного старения изоляции из – за увеличения тока, проходящего по обмоткам. Одновременно увеличивается скольжение и снижается число оборотов двигателя.

Увеличение напряжения на зажимах асинхронных двигателей может также сказываться неблагоприятно на условиях их работы. Связано это с существенным увеличением намагничивающего тока, что часто вызывает перегрузку обмотки статора.

Снижение напряжения у трансформаторов при неизменной мощности, протекающей по их обмоткам, приводит к увеличению тока в обмотках. Во многих случаях это не представляет опасности для трансформаторов, так как их номинальная мощность зачастую превышает нагрузку.

Более опасным может оказаться для трансформатора повышение подводимого к нему напряжения. Связано это, так же как и у электродвигателей, с существенным увеличением намагничивающего тока, которое у трансформатора более заметно вследствие резкого изменения реактивного сопротивления намагничивания. Значительный рост тока намагничивания приводит к работе трансформаторов в области нелинейной характеристики намагничивания. Это приводит к искажению кривой тока намагничивания и появлению высших гармоник тока. Последние обусловливают увеличение потерь активной мощности в магнитопроводе и его дополнительный нагрев.

Потребители электроэнергии требуют для своей экономичной нормальной работы также и высокой стабильности частоты переменного тока. При решении этих задач предполагается, что электрическая система обеспечивает поддержание стандартной частоты Гц.

На трансформаторных подстанциях обычно устанавливаются трехфазные трансформаторы; трехфазные группы, составленные из однофазных трансформаторов, устанавливаются лишь при очень больших их единичных мощностях. Для всех трехфазных устройств нормальный режим предполагает симметрию подведенного напряжения. Искажение симметрии ухудшает условия работы потребителей, снижая их экономичность и ухудшая технические характеристики.

Существование при несимметрии подведенного к двигателю напряжения магнитного поля, вращающегося в обратном направлении, является причиной изменений характеристик двигателя в этом режиме. К числу их относятся: некоторое изменение вращающего момента машин, дополнительный нагрев их обмоток и стали вращающегося ротора, а также появление в ряде случаев вибраций машин. Весьма существенным при этом следует считать дополнительный нагрев, который вызывает усиленное старение изоляции, а зачастую и аварийный выход машин из работы. Дополнительный нагрев объясняется тем, что обратное вращающееся магнитное поле перемещается относительно ротора с двойной синхронной частотой и поэтому наводит в замкнутых контурах - обмотке и стали ротора - дополнительные переменные токи, также имеющие двойную или близкую к ней частоту.

В несимметричных режимах возможны также перегрев трансформаторов и снижение мощности, которую можно передать потребителям через обмотки трансформатора.

В настоящее время широко применяются выпрямительные установки в промышленности и в железнодорожном транспорте. Работа таких установок, использующих для выпрямления переменного тока управляемые вентили, связана с искажением формы тока и напряжения в сети. При этом кривые тока и напряжения становятся несинусоидальными. Несинусоидальность кривой напряжения вызывает дополнительные отклонения напряжения, перегрузку конденсаторов и снижение экономичности работы электрических сетей. Наличие высших гармоник часто вызывает появление в электрических сетях резонансных явлений на частотах различных гармоник.

15.2. Характеристика режима напряжений

Напряжение - важнейший показатель режима электроэнергетичекой системы (ЭЭС), непосредственно влияющий на качество электрической энергии, надежность электроснабжения потребителей и экономичность работы ЭЭС [4].

Требования к качеству электрической энергии состоят в том, что нормируется ряд показателей режима напряжений, характеризующих его изменения при работе ЭЭС. С этими показателями можно подробно ознакомиться в ГОСТ 13109 – 97. Требования к качеству напряжения устанавливаются для точек сети, к которым присоединяются потребители электрической энергии. Важным показателем является отклонение напряжения, определяемое (%) как разность между фактическим и номинальным напряжением, отнесенная к последнему. В нормальных режимах работы ЭЭС отклонение напряжения в сетях до 1 кВ не должно превышать ±5% (в сетях 6 кВ и выше этот показатель не нормируется). В послеаварийных режимах работы ЭЭС отклонения напряжения в сетях до 1 кВ и 6 - 20 кВ не должны превышать ±10% (в сетях 35 кВ и выше этот показатель также не нормируется).

Допустимые снижения напряжений в ЭЭС определяются прежде всего условиями устойчивости параллельной работы генераторов электростанций и узлов нагрузки.

В сетях 6 - 20 кВ допустимое снижение напряжения определяется условиями работы потребителей, для которых, как было указано выше, даже в послеаварийных режимах понижение напряжения не должно быть более 10%. Следует также отметить, что допустимое снижение напряжения в питающих сетях, то есть на шинах высшего и среднего напряжения подстанций, определяется условиями работы сети, примыкающей к шинам низшего напряжения.

Д ля иллюстрации этого положения рассмотрим пример типовой понижающей подстанции 110 кВ (рис.15.1). На таких подстанциях обычно устанавливаются два понижающих трансформатора. На шинах 10 кВ подстанции присоединена местная сеть, при этом в соответствии с принципом встречного регулирования напряжения в нормальном режиме наибольших нагрузок напряжение на шинах 10 кВ должно быть не ниже 1,05 номинального, то есть 10,5 кВ. Современные трансформаторы 110 кВ мощностью 10 - 63 MBA имеют диапазон изменения коэффициента ±9×1,78% = ±16% от номинального значения. Расчет показывает, что потери напряжения в двух параллельно включенных трансформаторах при их загрузке на 70% от номинальной мощности не превышают 6 кВ. При этом при крайнем ответвлении устройства регулирования коэффициента трансформации минимальное напряжение на шинах 110 кВ составляет 102,5 кВ. В послеаварийном режиме, когда напряжение на шинах 10 кВ должно быть не ниже номинального, на шинах 110 кВ будет 97,8 кВ, то есть нижний допустимый предел отклонения напряжения по условиям обеспечения режима местной сети составляет 11%.

15.3. Показатели качества электроэнергии

Одним из основных показателей качества электроэнергии является частота трехфазного переменного тока. Обычно частота в электрических системах изменяется в относительно небольших пределах. Поэтому пользуются не полными значениями частоты f, а значениями отклонений частоты от номинального значения. Отклонением частоты называется разность между фактическим и номинальным значениями [4]:

(15.1)

В современных крупных автоматически регулируемых энергетических системах отклонения от номинальной частоты допускаются в пределах ±0,2 Гц. Относительно небольшие пределы допустимых отклонений от номинального значения объясняются существенным влиянием изменений частоты на экономические показатели работы электроприемников. Кроме того, частота регулируется одновременно во всей энергетической системе, а современные автоматические .устройства для регулирования частоты позволяют обеспечить изменение частоты в требуемых пределах. При этом практически не требуется удорожание этих устройств.

Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения. В зависимости от схемы включения электроприемников определяющим является фазное или междуфазное значение напряжения. В пределах электрической сети одной ступени трансформации значения напряжений изменяются в относительно небольших пределах, поэтому более показательными являются не полные значения напряжений, а значения отклонений напряжения V, обычно выражающиеся в процентах от номинального значения.

Отклонением напряжения для узла i называется разность между фактическим, действующим, и номинальным значениями, отнесенная к номинальному напряжению данной сети:

(15.2)

В условиях нормальной работы допускаются следующие предельные значения отклонений от номинального напряжения:

- на зажимах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения от -2,5 до +5%;

- на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления от

-5 до +10%;

- на зажимах остальных электроприемников в пределах ±5%.

В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.

Значения предельно допустимых отклонений от номинального напряжения для электрооборудования также нормируются. У входных зажимов трансформаторов и автотрансформаторов допускаются отклонения напряжения не выше чем на 5% от номинального напряжения рабочего регулировочного ответвления. Генераторы и синхронные компенсаторы могут развивать номинальную мощность при отклонениях напряжения, равных ±5% от их номинального напряжения. Это приблизительно соответствует отклонениям, равным 0 - 10% от номинального напряжения соответствующей сети. При снижении располагаемой мощности могут быть допущены и большие отклонения напряжения, но не более чем на 10% относительно номинального напряжения генераторов и синхронных компенсаторов.

По условиям работы электрической изоляции допускаются повышения напряжения (относительно номинального) на зажимах электрических аппаратов с номинальными напряжениями: до 20 кВ включительно - не более чем на 20%; при 35 - 220 кВ - на 15%; при 330 кВ - на 10%; при более высоких напряжениях - на 5%.

Для сетей с несимметричными, нелинейными и резкопеременными нагрузками при оценке качества напряжения приходится учитывать дополнительные показатели. К числу их относятся: несимметрия трехфазной системы напряжений, несинусоидальность кривой напряжения, колебания напряжения.

Несимметрия трехфазной системы напряжений обычно характеризуется относительным значением напряжения обратной последовательности (%) [4]:

(15.3)

где , и - комплексные значения напряжений фаз a, b, c соответственно;

(15.4)

Смещение нейтрали определяется напряжением нулевой последовательности в размерных единицах:

(15.5)

Несимметрия напряжений допускается практически в относительно малых пределах - не более 2 - 3%.

Несинусоидальность кривой напряжения характеризуется составом высших гармонических порядка , каждая из которых определяется соответствующим действующим значением . В трехфазных сетях обычно возникают гармоники нечетного порядка. Значительными по величине могут быть действующие значения напряжения гармоник в пределах .

(15.6)

Колебания напряжения (%) характеризуются относительной разностью между наибольшим и наименьшим действующими значениями напряжения при скорости изменения напряжения, равной не менее 1% в секунду, то есть.

(15.7)

Для отдельных установок с резкопеременным характером нагрузки (например, в электрических сетях металлургических заводов с прокатными станами) допускаются колебания напряжения до 1,5% от номинального при неограниченной их частоте.

При оценке качества напряжения в распределительных сетях принимается во внимание интегральная оценка качества напряжения у электроприемников.

Нагрузки электрической сети в большинстве случаев являются случайными функциями времени. Поэтому изменение напряжений в отдельных пунктах сети и на зажимах электроприемников также имеет случайный характер.

Во всех случаях при использовании вероятностных методов рассматривают не действительные значения U(t) или V(t), a так называемые их кривые распределения, устанавливающие связь между возможными значениями случайной величины и вероятностью их появления.

Д ля иллюстрации на рис. 15.2 представлена кривая распределения случайной величины V, возможные значения которой последовательно отложены на оси абсцисс. По оси ординат отложены значения плотности вероятности φ(V). Из кривой распределения видно, что наиболее вероятным значением рассматриваемой случайной величины является некоторое ее среднее значение , которому соответствует наибольшее значение плотности вероятности .

П ри статистическом исследовании отклонений напряжения строят вариационный ряд распределения отклонений в виде ступенчатой диаграммы - гистограммы (рис.15.3). При этом по оси абсцисс откладывают последовательно возможные значения отклонений (, и т. д.), а по оси ординат - так называемые частоты или частости отклонений (, и т. д.). Если на гистограмме отложены частости, то общая площадь гистограммы. должна быть равна сумме частостей, то есть единице.