Понятие о качестве электроэнергии и надежности электроснабжения

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 Uи его номинальным значением U _н для сети, возникающая при сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения меньше 1 % в секунду:

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 накаливания 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_t подразумевается изменение на­пряжения в сети со скоростью более 1 %/с:

где U_нб и U_НМ — 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_t 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%.

Допустимые значения колебаний напряжения в сетях, от кото­рых питаются электроосветительные установки и радиоприборы, определяют по формуле:

(2.4)

где т — частота возникновения колебаний, 1/ч; Δt — 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 (ПБВ), 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 К_н — отношением напряжения обратной последова­тельности основной частоты U₂ к номинальному линейному на­пряжению U₁:

а также коэффициентом неуравновешенности напряжения К_оU — отношением напряжения нулевой последовательности основной частоты U ₀ к номинальному фазному напряжению U _н:

Коэффициент несимметрии напряжения служит нормирован­ным показателем качества электрической энергии. В соответствии с ГОСТ 13109 —97 А;, < 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 К_нс, который представляет собой отношение действующего значения гармонической составляющей несинусоидального напряжения к напряжению основной частоты:

где U „ U_Х — действующие значения соответственно ν-й и первой гармоник напряжения; п — значение гармоники напряжения, соответствующей нормируемому отклонению.

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.

Отклонение частоты Δ ƒ — это разность между действительным/ и номинальным ƒ_н значениями основной частоты, выраженная в герцах:

Указанное отклонение может быть также выражено в процен­тах от номинального значения основной частоты:

В нормальном режиме работы энергетической системы допуска­ются усредненные за 10 мин отклонения частоты ±0,1 Гц. Допус­кается временная работа энергетической системы с усредненны­ми за 10 мин отклонениями частоты ±0,2 Гц.

Колебания частоты δƒ — это изменения частоты, происходя­щие со скоростью 0,2 Гц/с. Они определяются как разность между наибольшим ƒ нб и наименьшим ƒ_нм значениями основной частоты за определенный промежуток времени и выражаются в герцах:

Колебания частоты могут быть также выражены в процентах от наибольшего значения основной частоты:

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 электроприемникам 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_1, х₂,..., х_n. Каждое из этих значений воз­можно, но недостоверно, поэтому X может принять, то или иное значение с некоторой вероятностью:

Сумма вероятностей всех возможных значений X равна едини­це, т.е.

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.

Параметр потока отказов, характери зующий частоту отказов, есть среднее число отказов изделий в единицу времени:

где m(t) — число отказов /-го элемента схемы электроснабжения к моменту t; п — число элементов (единиц оборудования данного типа), по которым обрабатывается информация; I — время на­блюдения.

Время восстановления есть время вынужденного простоя, необ­ходимое для отыскания и устранения одного отказа:

где τ_i, — продолжительность i-го перерыва работы; т — число от­казов за время наблюдения.

В зависимости от требуемой надежности электроснабжения элек­троприемники разделяют по правилам устройства электроустано­вок (ПУЭ ) на три категории (табл. 2.1, см. также табл. 12.1):

К первой категории относят электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреж­дение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных объектов промышленности и городского хозяйства. Электропри­емниками первой категории являются сооружения с массовым скоплением людей (театры, стадионы, универмаги), электрифи­цированный транспорт (метрополитен, железные дороги), боль­ницы, предприятия связи, высотные здания, группы городских потребителей с суммарной нагрузкой выше 10 000 кВ А, некото­рые силовые установки (вращающиеся печи с дутьем). Они долж­ны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источ­ников питания (рис. 2.1, а), причем перерыв в электроснабжении допускается только на время автоматического ввода резервного питания, но не более чем на 1 мин.

Ко второй категории относят электроприемники, допускаю­щие перерыв в электроснабжении (не более 30 мин), необходи­мый для включения резервного питания (рис. 2.1, б) дежурным персоналом предприятия или выездной бригадой электроснабжающей организации. Электроприемниками второй категории яв­ляются ряд электроустановок промышленных предприятий, а так­же жилые дома с электроплитами, жилые дома высотой от 5 до 10 этажей с газовыми плитами, учебные заведения, лечебные и детские учреждения, силовые установки, допускающие переры­вы в электроснабжении без повреждения основного оборудова­ния, группы городских потребителей с общей нагрузкой от 400 до 10 000 кВА

 

Таблица 2.1. Рекомендуемые категории надежности электроснабжения потребителей в зависимости от характера производства и вида оборудования

 

* Цехи и отделения относят ко второй категории надежности, если их оста­новка вызывает простой других цехов, относимых ко второй категории надежно­сти.

** Машины для окраски и сушильные аппараты относят к первой категории надежности, если в них возможно образование взрывоопасных смесей.

 

Рис. 2.1. 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

 

К третьей категории относят все остальные электроприемни­ки, для которых допустимы перерывы в электроснабжении на время ремонта поврежденного элемента системы электроснабже­ния (рис. 2.1, в), но не более одних суток.

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 электроприемники, 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.