+7 (812) 448-30-88
+7 (812) 910-22-50
Заказать звонок →
Мы перезвоним вам

Содержание:
  1. Показатели качества электроэнергии
  2. Основные мероприятия по улучшению качества электрической энергии

Показатели качества электроэнергии

Под термином «качество электрической энергии» понимается соответствие основных параметров установленным нормам при производстве, передаче и распределении электрической энергии. Эти основные параметры определяют совокупность потребительских свойств электрической энергии, ее пригодность удовлетворять определенные потребности электроприемников в соответствии с их назначением.

Количественная характеристика качества электроэнергии выражается отклонениями напряжения и частоты, колебаниями напряжения и частоты, несинусоидальностью формы кривой напряжения, смещением нейтрали, несимметрией напряжений основной частоты. Необходимость нормирования качества электроэнергии по частоте и напряжению вытекает из существующей зависимости активной и реактивной мощностей потребителей от частоты и напряжения.

При снижении частоты особенно заметно снижается активная мощность асинхронных электродвигателей с переменным (падающим) моментом на валу (приводы насосов и вентиляторов). Как показывают исследования, при снижении частоты на 1% активная мощность указанных электродвигателей понижается примерно на 3%. Активная мощность синхронных и асинхронных электродвигателей с постоянным моментом на валу зависит от частоты в меньшей степени – на каждый процент снижения частоты активная мощность понижается также почти на 1%.

Для других электроприемников, в частности для осветительных бытовых приборов, дуговых электропечей, изменение частоты почти не приводит к изменению активной мощности, если при этом поддерживается неизменное напряжение. Следует иметь в виду, что снижение частоты приводит также к росту реактивной мощности потребителей вследствие увеличения магнитной индукции в асинхронных двигателях и трансформаторах и соответствующего роста токов их намагничивания. Снижение потерь реактивной мощности в реактивностях рассеяния линий, трансформаторов и асинхронных двигателей, а также рост зарядной мощности линий, вызываемые снижением частоты, только частично компенсируют рост реактивной мощности указанных выше электроприемников.

Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы допускается в пределах ± 0,1Гц. Допускается временная работа энергосистем с отклонением частоты в пределах ± 0,2Гц. За показатель отклонения частоты принимают разность, усредненную за 10 мин, между фактическим значением основной частоты и номинальным ее значением.

Колебания частоты не должны превышать 0,2Гц сверх указанных выше отклонений частоты. Под колебанием частоты понимают разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения основной частоты не меньше 0,2Гц в секунду. Нормы показателей по частоте не распространяются на период послеаварийного восстановления частоты в энергосистеме. Послеаварийным режимом считается режим, возникающий после отключения поврежденного элемента энергосистемы или сети, продолжающийся до восстановления нормальных условий работы, но длительностью не более суток.

По-разному зависят активная и реактивная мощности потребителей от напряжения. Особенно сильно от напряжения зависит активная мощность, потребляемая бытовыми приборами, дуговыми печами. При снижении напряжения на 1% потребляемая этими нагрузками активная мощность снижается на 1,6-2,0%. Для большинства электротермических установок снижение напряжения приводит к уменьшению полезно используемой мощности, ухудшению температурного режима и удлинению технологического процесса. Происходит также снижение потерь в стали трансформатора при уменьшении напряжения. Мощность нагрузки асинхронных двигателей в меньшей степени зависит от изменения напряжения (только за счет изменения скольжения), а синхронных двигателей – совсем не зависит от изменения напряжения.

Определяющим для характеристики зависимости реактивной нагрузки от напряжения является состав потребителей, в особенности доля асинхронных двигателей и их коэффициент загрузки. Реактивная мощность намагничивания асинхронных двигателей уменьшается примерно на 2-3% при снижении напряжения на 1%. При понижении напряжения у асинхронных двигателей возрастает ток, происходит перегрев и быстрый износ изоляции, уменьшается вращающий момент, что затрудняет пуск двигателя под нагрузкой. Если производственные механизмы требуют постоянства мощности на валу, то уменьшение мощности из-за понижения напряжения приводит к снижению производительности механизма или к выдаче продукции ухудшенного качества. Снижение напряжения приво­дит также к заметному росту реактивной мощности, теряемой в реактивных сопротивлениях рассеяния линий, трансформаторов и асинхронных двигателей. При этом, чем меньше коэффициент загрузки двигателей, тем меньше доля реактивной нагрузки от полей рассеяния и тем больше доля реактивной нагрузки от токов намагничивания и, следовательно, тем больше спад реактивной нагрузки при напряжениях, близких к нормальному значению.

При увеличении подведенного к асинхронным двигателям напряжения увеличивается потребление реактивной мощности. При этом удельное потребление реактивной мощности растет с уменьшением коэффициента загрузки двигателя. Для приближенных расчетов можно принимать, что для наиболее распространенных трехфазных двигателей серии А мощностью 20-100кВт повышение напряжения на 1% приводит к росту реактивной мощности приблизительно на 3%. Для двигателей меньшей мощности соответствующее увеличение потребляемой реактивной мощности достигает 5-7%.

Отклонение напряжения от номинального значения оказывает неблагоприятное влияние на работу осветительных электроприемников. Повышение напряжения в сети резко сокращает срок службы ламп накаливания. Так, при повышении напряжения на 10% при­мерно на 30% увеличивается световой поток и еще более резко, почти в 3 раза, сокращается срок службы ламп. Срок службы люминесцентных ламп при повышении напряжения на 10% сокращается на 20-30%. Уменьшение напряжения в сети на 10% приводит к снижению светового потока ламп накаливания на 30% и падению их мощности на 20%, что приводит к уменьшению освещенности рабочих мест и как следствие к снижению производительности труда.

Отклонения напряжения допускаются:

а) в пределах от – 2,5 до + 5% номинального – на выводах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения;

б) в пределах от – 5 до + 10% номинального – на выводах электрических двигателей и аппаратов для их пуска и управления;

в) в пределах ± 5% номинального – на выводах остальных электроприемников.

В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.

За отклонение напряжения V принимают разность между фактическим значением напряжения U и его номинальным значением для сети Uн, возникающую при сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения меньше 1% в секунду. Если V выражается в процентах номинального напряжения Uн, а U и Uн – в вольтах или киловольтах, то

96cab-clip-1kb

Отрицательно сказывается на работе электроприемников и режимах электроснабжения колебания напряжения, вызываемые пусками электродвигателей, особенно короткозамкнутых асинхронных, работой сварочных агрегатов, дуговых печей, выпрямительных установок. Колебание напряжения в осветительных сетях приводит к резким изменениям светового потока, отражающимся на зрительном восприятии людей. При частых колебаниях напряжения появляется повышенная утомляемость, снижается производительность труда, увеличиваются случаи травматизма.

Колебания напряжения допускаются:

а) на выводах осветительных ламп и радиоприборов – в зависимости от частоты их повторения согласно формуле, %:

f7f7a-clip-2kb

где n – число колебаний в час;

Δt – средний за час интервал между последующими колебаниями, мин;

Vt – допустимые колебания напряжения, % сверх допустимых отклонений

 напряжения;

б) для отдельных установок с резко переменным характером нагрузки (например, в электрических сетях металлургических заводов с прокатными станами) до 1,5% номинального при неограниченной их частоте;

в) в электрических сетях сельскохозяйственных районов и в сетях, питающихся от шин тяговых подстанций электрифицированного транспорта нормы устанавливаются при наличии специальных технико-экономических обоснований разрешения Министерства энергетики и электрификации СССР;

г) для остальных приемников электрической энергии колебания напряжения не нормируются.

Под колебанием напряжения понимают разность между наибольшим Uмак и наименьшим Uмин действующими значениями напряжения в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения напряжения не меньше 1% в секунду.

По абсолютной величине Vt = Uмак – Uмин. Если Vt выражается в процентах номинального напряжения Uн, а Uмак, Uмин и Uн в вольтах, то

f6ea7-clip-1kb

 

Несинусоидальность формы кривой напряжения характеризуется:

–     составом высших гармоник, каждая из которых определяется действующим значением Uγ;

–     действующим значением всех высших гармоник (предполагается, что четные гармоники отсутствуют), равным

f2d9f-clip-1kb

 

где верхний предел суммирования может быть ограничен 13-й гармоникой.

Источниками высших гармоник являются вентильные установки, силовые трансформаторы, дуговые электропечи, сварочные агрегаты.

Высшие гармонические вызывают:

–      дополнительные потери электроэнергии в сетях, электродвигателях и статических конденсаторах;

–      паразитные поля и моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины;

–      ухудшение коэффициента мощности электроприемников;

–      ухудшение или нарушение работы некоторых устройств автоматики, телемеханики, вычислительных машин и других устройств с элементами электроники;

–      погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии, которые приводят к неполному учету потребляемой электроэнергии;

–      нарушение работы самих вентильных преобразователей при высоком уровне высших гармонических.

Наличие высших гармоник неблагоприятно сказывается на работе не только электрооборудования потребителей, но и на работе электронных устройств в энергосистемах.

Для некоторых установок (система импульсно-фазового управления вентильными преобразователями, комплектные устройства автоматики и др.) допустимое значение отдельных гармоник тока (напряжения) указывается в паспорте или формуляре заводом-изготовителем.

Несинусоидальность формы кривой напряжения допускается:

а) в распределительной сети с осветительными и бытовыми электроприемниками – в пределах указанных выше допустимых отклонений напряжения (с учетом действующего значения напряжения основной частоты); при наличии в сети газоразрядных ламп действующее значение всех высших гармоник не должно превышать 5% действующего значения напряжения основной частоты;

б) на выводах любого электроприемника – любое ее значение, при котором действующее значение всех высших гармоник не превышает 5% действующего значения напряжения основной частоты;

в) на выводах асинхронных двигателей – по условию допустимого нагрева при данном коэффициенте загрузки с учетом других влияющих факторов (отклонения напряжения прямой и наличия напряжения обратной последовательности).

Кривая напряжения, подводимого к электроприемникам, в установившихся режимах не должна содержать субгармонических составляющих. Следует подчеркнуть, что в условиях работы электроприемников несинусоидальность проявляется совместно с действиями других влияющих факторов и поэтому необходимо рассматривать всю совокупность влияющих факторов совместно.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности. Указанное наложение приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений. Векторная диаграмма несимметричной трехфазной системы напряжений показана на рисунке 1.

f7d85-clip-4kb

Рис. 1. Векторная диаграмма напряжений прямой и обратной последовательности

Несимметричные режимы в современных электрических сетях имеют место не только в аварийных ситуациях (при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях), но и в обычных рабочих режимах при подключении мощной однофазной нагрузки в трехфазной сети (например, крупных промышленных электропечей), при неравномерном распределении по фазам мощности однофазных электроприемников (особенно электронных аппаратов, а также осветительных приборов), при несимметрии параметров элементов сети. Несимметрия напряжений вызывается чаще всего наличием несимметричной нагрузки.

Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам сети, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах электроприемников появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у электроприемников перегруженной фазы могут выйти за пределы, допустимые стандартом, в то время как отклонения напряжения у электроприемников других фаз будут находиться в нормируемых пределах. Кроме ухудшения режима напряжения у электроприемников при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих электроприемников, так и всех элементов сети: увеличиваются потери напряжения и мощности, уменьшается пропускная способность трансформаторов и линий передач, ухудшается режим работы преобразовательных и конденсаторных установок, сокращается Срок службы осветительных приемников и т.д.

В трехфазной распределительной сети с однофазными осветительными и бытовыми электроприемниками напряжение обратной последовательности не должно превышать значений, при которых (с учетом других влияющих факторов – отклонения напряжения прямой последовательности, смещения нейтрали и гармоник напряжения) действующие значения напряжений не выходят за допустимые пределы, установленные стандартом. Напряжение обратной последовательности в пределах до 2% от номинального напряжения длительно допустимо на выводах любого трехфазного симметричного электроприемника.

На выводах асинхронных двигателей допустимое значение напряжения обратной последовательности (больше 2%) определяется (с учетом других влияющих факторов – отклонения напряжения прямой последовательности и гармоник напряжения) по условию допустимого нагрева при данном коэффициенте загрузки. Помимо несимметрии, вызываемой напряжением обратной последовательности, может возникать несимметрия от наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности. В результате смещения нейтрали трехфазной системы возникает несимметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений.

Векторная диаграмма наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности приведена на рисунке 2.

c6d32-clip-4kb

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений прямой и нулевой последовательности

Необходимо напомнить, что в трехфазных сетях без нулевого провода составляющая нулевой последовательности всегда отсутствует (сумма линейных напряжений равна нулю). Для трехфазных действующих сетей с нулевым проводом (четырехпроводные сети) помимо несимметрии линейных напряжений, как правило, существует несимметрия фазных напряжений, обусловленная смещением нейтральной точки. Эта несимметрия (ε0) может быть определена отношением модуля нулевой составляющей фазных напряжений U0 к номинальному фазному напряжениюUн.ф:

f4aad-clip-943b

В четырехпроводных электрических сетях напряжением до 1000В (с нулевым проводом) смещение нейтрали определяется относительно нулевого провода в месте включения электроприемников. В трехфазной распределительной сети с однофазными осветительными и бытовыми электроприемниками напряжение нулевой последовательности не должно превышать значений, при которых (с учетом других влияющих факторов – отклонения напряжения прямой последовательности, напряжения обратной последовательности и гармоник напряжения) действующие значения напряжений не выходят за допустимые стандартом пределы.

Формулы определения действующих значений напряжения для сетей однофазного и трехфазного тока, симметричных и несимметричных систем, а также действующих значений составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей гармоник напряжения приведены в приложениях к стандарту на качество электроэнергии. Государственный стандарт на качество электрической энергии вводится в энергосистемах постепенно, по мере оснащения соответствующими средствами регулирования. В период до повсеместного внедрения государственного стандарта действуют положения по качеству электроэнергии, содержащиеся в «Правилах пользования электрической энергией».

Основные мероприятия по улучшению качества электрической энергии

Отклонения параметров электрической энергии от установленных стандартов ухудшают условия эксплуатации электрооборудования энергосистемы и потребителей и могут привести к народнохозяйственному ущербу от работы предприятий с пониженным качеством электроэнергии. Экономический эффект мероприятий по улучшению качества электроэнергии определяется по выражению

fd42f-clip-3kb

где i = 1, 2, …m – количество рассматриваемых показателей качества электроэнергии;

7e622-clip-781b – сумма приведенных затрат на мероприятия для улучшения качества

 электроэнергии по всем показателям от i до m;

9890c-clip-684b – сумма ущерба от нарушения стандартного качества электроэнергии по

 всем показателям от i до m.

При Э = 0 проведение мероприятий по улучшению качества электроэнергии не эффективно.

Основные показатели качества электроэнергии – частота и напряжение – находятся в прямой зависимости от баланса активных и реактивных мощностей в энергосистеме. Между изменениями частоты, напряжения и активных и реактивных мощностей в энергосистеме существует сложная взаимосвязь. В то же время изменения активной и реактивной мощностей по-разному сказываются на изменении частоты и напряжения. На изменение частоты основное влияние оказывает изменение баланса активных мощностей. Для поддержания стандартных значений частоты в энергосистеме в первую, очередь необходимо обеспечить соответствующий этой частоте баланс активных мощностей; при росте активных нагрузок должна соответственно увеличиваться активная мощность генераторов. При этом не имеет значения, на какой электростанции будет увеличена генерация активной мощности, т.к. частота изменяется во всей энергосистеме одинаково.

Для иллюстрации зависимости частоты от баланса активных мощностей на рисунке 3 приведены упрощенные характеристики генерируемой активной мощности Рг и суммарной нагрузки потребителей системы и потерь активной мощности в сетях Рн. Эти характеристики пересекаются в точке О, определяющей рабочее значение частоты f0.

eea86-clip-5kb

Рис. 3. Зависимость частоты от баланса активных мощностей