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.
К показателям качества электроэнергии для трехфазных сетей переменного тока относятся:
отклонение напряжения;
колебание напряжения;
коэффициенты несимметрии и неуравновешенности напряжения;
коэффициент несинусоидальности напряжения;
отклонение частоты;
колебания частоты.
Соответствие перечисленных параметров указанному стандарту способствует увеличению выпуска продукции и общей рентабельности производства.
Отклонение напряжения V — это разность между действительным значением напряжения U и его номинальным значением Uн для сети, возникающая при сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения меньше 1 % в секунду:
V= U - Uн.
При понижении напряжения возрастает скольжение и уменьшается частота вращения асинхронных двигателей, являющихся основными электродвигателями, применяемыми в промышленности. При этом возрастает потребляемый ток, двигатели перегреваются, быстрее изнашивается их изоляция. Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому при понижении напряжения 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. При понижении напряжения на 10 % мощность конденсатора снижается до 81 % от номинальной. Повышение напряжения на 10% увеличивает реактивную мощность конденсатора до 121 % и приводит к его перегрузке, поэтому для конденсаторов допускается увеличение напряжения не более чем на 10 %.
Отклонение напряжения оказывает значительное влияние на работу электросварочных установок, ухудшая качество сварки. Для рационального ведения этого процесса отклонение напряжения на сварочных установках должно составлять не более ±5 %.
Высокие требования к качеству напряжения предъявляют осветительные установки. При отклонениях напряжения изменяются сила света ламп накачивания и срок их службы. Сила света изменяется пропорционально изменению напряжения в третьей степени. Повышение напряжения на 10 % сокращает срок службы ламп накаливания примерно в 3 раза.
В соответствии с ГОСТ 13109 — 97 допускается отклонение напряжения на зажимах электроосветительных приборов от -2,5 до +5%.
Под колебанием напряжения V, подразумевается изменение напряжения в сети со скоростью более I %/с:
К=и„б-инм, (2.3)
где инб и Uнм — соответственно наибольшее и наименьшее действующие напряжения в кратковременном процессе его изменения, % от номинального значения.
Колебания напряжения ограничиваются частотой их возникновения. Для зрительного восприятия наиболее опасными считаются колебания частот, возникновения которых находится в пределах 1... 10 Гц. Допустимое значение V, при этом составляет примерно 1 %. Если колебания возникают не чаще 10 раз в час, то это значение возрастает до 1,5 %, если же не более одного раза в час — до 4%.
(2.4)
V, =1+—<1 %, т
Допустимые значения колебаний напряжения в сетях, от которых питаются электроосветительные установки и радиоприборы, определяют по формуле где т — частота возникновения колебаний, l/ч; At — средний интервал между моментами возникновения колебаний, мин.
Для обеспечения нормируемого ГОСТ 13109 — 97 режима напряжения применяются различные способы и средства регулирования напряжения.
Способы регулирования:
регулирование напряжения на шинах центра питания;
изменение сопротивления элементов сети;
изменение реактивного тока, протекающего в сети;
изменение коэффициента трансформации трансформаторов и автотрансформаторов (линейных регуляторов).
Средства регулирования:
трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН):
линейные регуляторы;
управляемые батареи конденсаторов;
синхронные двигатели с автоматическими регуляторами возбуждения.
Кроме того, можно использовать трансформаторы с переключением без возбуждения (Г1БВ), неуправляемые батареи конденсаторов, синхронные двигатели без автоматического регулирования возбуждения.
Несимметрия напряжений и токов трехфазной системы — один из важнейших критериев качества электроэнергии. Причина появления несимметрии напряжений и токов — различные несимметричные режимы системы электроснабжения.
Широкое применение различного рода однофазных установок значительной мощности привело к существенному увеличению доли несимметричных нагрузок. Подключение таких мощных несимметричных однофазных нагрузок к трехфазным сетям вызывает в системах электроснабжения длительный несимметричный режим, характеризующийся несимметрией напряжений и токов.
В системах электроснабжения различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы.
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.
Несимметрия характеризуется коэффициентом несимметрии напряжения Кн — отношением напряжения обратной последовательности основной частоты U2 к номинальному линейному напряжению U1.
а также коэффициентом неуравновешенности напряжения Каи — отношением напряжения нулевой последовательности основной частоты U0 к номинальному фазному напряжению UH:
Коэффициент несимметрии напряжения служит нормированным показателем качества электрической энергии. В соответствии с ГОСТ 13109 — 97 К„ < 2 % длительно допустим на зажимах любого трехфазного симметричного приемника электрической энергии. В случаях, когда коэффициент несимметрии оказывается больше, должны быть приняты меры к его снижению.
Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока также определяет качество электроэнергии. Широкое внедрение приемников электрической энергии с нелинейными вольт-амперными характеристиками, обусловленное потребностями увеличения экономической эффективности производства, привело к отрицательному влиянию этих приемников на электрические параметры режима сети. К элементам систем электроснабжения (СЭС) с нелинейными вольт-амперными характеристиками относятся вентильные преобразователи (ртутные и полупроводниковые), электросварочные установки, газоразрядные источники света, а также трансформаторы и электродвигатели. Характерная особенность этих устройств — потребление ими из сети несинусоидальных токов при подведении к их зажимам несинусоидального напряжения.
Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения на сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.
Степень несинусоидальности напряжения сети принято характеризовать коэффициентом несинусоидальности напряжения Кт, который представляет собой отношение действующего значения гармонической составляющей несинусоидального напряжения к напряжению основной частоты.
Форма кривой напряжения у приемников электроэнергии нормируется ГОСТ 13109 — 97, который допускает отклонение действующего значения напряжения всех высших гармоник от действующего значения напряжения основной частоты не более 5 %.
Для снижения влияния высших гармоник на напряжение устанавливают силовые фильтры, уменьшают число фаз выпрямления.
В установившемся режиме частота во всей энергетической системе (связанной сетями переменного тока) одинакова и определяется частотой вращения генераторов. Последняя, в свою очередь, определяется частотой вращения первичных двигателей — турбин, которые имеют специальный регулятор частоты вращения (первичное регулирование), обладающий сравнительно большой инерцией (до 5 %). Это значит, что частота вращения 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.
В настоящее время 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.
Практически все показатели качества электроэнергии зависят от потребляемой промышленными электроприемниками реактивной мощности. Поэтому вопросы качества электроэнергии необходимо рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности.
Надежность электроснабжения. Надежность системы электроснабжения и отдельных ее элементов зависит от самых разных факторов, определяемых как внутренними особенностями системы, так и воздействием внешних условий.
Отказы и другие характеристики надежности по своей физической природе носят случайный характер, поэтому при количественной оценке уровней надежности электроустановок или схем электроснабжения в современных условиях широко используют математический аппарат теории вероятностей и математической статистики.
Отклонения от закономерности, порождаемые множеством неучтенных связей, называют случайными событиями.
Величину, которую можно оценить количественно и которая в зависимости от случая принимает различные значения, называют случайной. Точное значение случайной величины предсказать невозможно. В зависимости от множества значений, принимаемых случайными величинами, их делят на дискретные и непрерывные. Случайная величина дискретного типа принимает только отдельные значения, которые можно пронумеровать. Случайная величина непрерывного типа может принимать все значения из некоторого интервала числовой оси.
Случайные величины обозначают прописными буквами латинского алфавита, а их возможные значения — соответствующими строчными буквами. Например, случайная величина Сможет принимать значения х0, х,, х2, ..., х„.
Эта суммарная вероятность каким-то образом распределена между отдельными возможными значениями. Если указать, какой вероятностью обладает каждое из возможных значений, то тем самым будет установлен закон соответствия, который называется законом распределения вероятностей случайной величины.
Большинство элементов систем электроснабжения (трансформаторы, линии электропередачи, коммутационная аппаратура и т.д.) можно ремонтировать. К основным показателям надежности таких изделий относятся параметр потока отказов и среднее время восстановления.
В зависимости от требуемой надежности электроснабжения электроприемники разделяют по правилам устройства электроустановок (ПУЭ) на три категории (табл.):
Рис. 2. Варианты цеховых схем электроснабжения потребителей первой (а), второй (б) и третьей (в) категорий:
УАВР — устройство автоматического включения резерва; УАРТ — устройство автоматической разгрузки по току; ШНН — шина низшего напряжения; РП — распределительный пункт; ЩО — щит освещения (рабочего); Q — силовой выключатель высокого напряжения; Т — трехфазный трансформатор; QF — автоматический выключатель
Появление новых химических производств, высокопроизводительных металлургических агрегатов и ряда других электроприемников выдвигает необходимость распространения требований первой категории при проектировании на все большее число потребителей. При этом, чтобы избежать излишних затрат, целесообразно подразделить электроприемники, отнесенные к первой категории, т.е. выделить среди них такие, которые должны быть отнесены к наивысшей категории.
В связи с этим в практику проектирования введена еще одна группа электроприемников, так называемая «особая группа первой категории». К ней относят электроприем пики, перерыв в электроснабжении которых угрожает жизни и здоровью людей, взрывом, пожаром, порчей основного технологического оборудования. Для этих электроприемников кроме двух основных источников питания должен предусматриваться третий независимый источник, достаточный для безаварийной остановки производства. В качестве таких источников могут быть использованы небольшие дизельные электростанции, аккумуляторные батареи и т.п.
Схема электроснабжения электроприемников особой группы первой категории должна обеспечивать:
постоянную готовность третьего независимого источника и автоматическое его включение при исчезновении напряжения на обоих основных источниках питания;
перевод независимого источника в режим горячего резерва при выходе из работы одного из двух основных источников питания.
Мощность третьего независимого источника должна быть минимальной, обеспечивающей питание только электроприемников особой группы, необходимых для безаварийной остановки производства. К этим источникам не должны подключаться другие электроприемники.
Большинство промышленных предприятий имеет потребителей первой и второй категорий, поэтому их электроснабжение осуществляется не менее чем по двум линиям электропередачи. Наиболее целесообразны следующие две схемы:
линии питания закреплены на отдельных опорах и идут по разным трассам;
каждая подстанция питается от двух цепей линий, подвешенных на разных опорах.
Как исключение питание потребителей первой категории по одной двухцепной ЛЭП допускается только при отсутствии потребителей, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова предприятия. Пропускную способность линий выбирают так, чтобы при выходе из строя одной из них оставшиеся обеспечивали бы питание потребителей первой и второй категорий, необходимых для работы основных цехов предприятия. При отсутствии точных данных о мощности потребителей первой и второй категорий пропускную способность линий, остающихся в работе при аварийном режиме, рекомендуется выбирать с обеспечением 60...80% всей расчетной нагрузки.