Тема 1.2 Качество электрической энергии

М-1. Ключевые слова и понятия.

3.1.Качество электроэнергии

3. 2.Показатели качества

3. 3.Частота переменного тока

3. 4.Отклонение частоты

3. 5.Калебание частоты

3. 6.Отклонение напряжения

3. 7.Калебание напряжения

3. 8.Смещение нейтрали

3. 9.Несимметрия напряжений

3. 10. Продольная несимметрия напряжений

3. 11. Поперечная несимметрия напряжений

3. 12. Коэффициент несимметрии напряжений

3. 13. Коэффициент несимметрии токов

3. 14. Коэффициент неуравновешенности системы

3. 15. Несинусоидальность формы кривой напряжения

3. 16. Коэффициент несинусоидальности.

1.Выходная информация

При изучении данной темы необходимо знать основные физические понятия из теории электричества, изучавшиеся в учебных дисциплинах средней школы и в дисциплинах «физика» и «электротехника», изучавшихся в прошлые периоды в ВУЗе.

Кроме того, студент должен опираться на знания учебного материала, изложенного в предыдущих темах дисциплины «Электроснабжение городов».

2.Содержание темы:

§ 1.Общие положения.

§ 2.Отклонение и колебание частоты.

§ 3.Отклонение и колебание напряжения.

§ 4.Смещение нейтрали и несимметрия напряжения основной частоты.

§ 5.Несинусоидальность формы кривой напряжения.

§ 6.Способы и средства повышения качества электроэнергии.

§ 1.Общие положения

Электроэнергия как и любая другая продукция характеризуется присущими ей показателями качества (3.1.).

3.1.Качество электроэнергии - совокупность свойств электроэнергии, обуславливающих её способность удовлетворять потребности потребителей в соответствии с ее назначением.

Показатели качества электроэнергии (3.2.) регламентируются ГОСТ 13109 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», а также ДСТУ 3465-96 «Якість електричної енергії. Терміни та визначення”.

3.2.Показатели качества электроэнергии –характеристики электроэнергии, позволяющие судить о её потребительских свойствах.

В соответствии с этими стандартами нормируются следующие показатели качества на вводах электроприемников (1.2.) общего назначения:

1. Отклонение и колебание частоты;

2.Отклонение и колебание напряжения;

3.Смещение нейтрали и несимметрия напряжения основной частоты;

4.Несинусоидальность формы кривой напряжения.

§ 2.Отклонение и колебания частоты.

Частота переменного тока (3.3.) определяется числом пар полюсов (Р) и скоростью вращения синхронных генераторов на электрической станции (n):

ƒн= n∙p/60,

где n – скорость вращения, об/мин;

p – число пар полюсов генератора.

3.3.Частота переменного тока – число полных циклов изменений напряжения или тока в секунду по синусоиде, т.е. числом периодов (Т) в секунду.

Номинальное значение частоты в Украине принято 50 Гц.

1 Герц – это частота, равная 1 периоду в 1 секунду. Поэтому

ƒ= 1/Т

Отклонение частоты (3.4.)

3.4. Отклонением частоты называется разность между фактическим значением частоты (ƒ) и номинальным (ƒн): Δƒ=ƒ-ƒн или Δƒ%= ƒ-ƒн 100% ƒн

Согласно ГОСТ 13109 в нормальном режиме работы отклонение частоты не должно превышать ±0,1 Гц. Допускается временная работа энергосистемы (1.5.)при отклонении частоты в пределах 0,2 Гц.

Отклонение частоты влияет на работу асинхронных двигателей. При снижении частоты снижается скорость вращения и момент на валу электродвигателя, что видно из механической характеристики. Поэтому при снижении частоты уменьшается производительность машины.

Колебание частоты (3.5.)

3.5. Колебанием частоты называется изменение частоты в течении времени.

Колебание частоты во времени характеризуется размахом колебания частоты от минимальной (ƒ min) до максимальной (ƒ max):

δƒ= ƒ max- ƒ min или δƒ%= (ƒ max- ƒ min) 100.

ƒн

Отклонение и колебание частоты вызывает изменение и колебание основных характеристик токоприемников (мощности, момента вращения электрических машин, скорости их вращения и др.), зависящих от частоты тока или напряжения.

Причиной колебания частоты в нормальном режиме могут являться периодические изменения нагрузки крупных двигателей, мощность которых соизмерима с мощностью генераторов. Колебания частоты не должно превышать 0,2 Гц.

§ 3. Отклонение и колебания напряжения

3.6.Отклонение напряжения – это разность между фактическим значением напряжения U и номинальным его значением Uн: V= U - Uн или V%= U - Uн 100 Uн

В соответствии с ГОСТ 13109 для осветительных установок и приборов допускается отклонение напряжения (3.6.) в пределах от - 2,5% до +5% номинального. Для электродвигателей и электрических аппаратов в пределах от - 5% до +10% номинального.

Колебания напряжения влияют на характеристики потребителей.

Для освещения

U,%
Ф,% (световой поток)
Т,% (срок службы)

При снижении напряжения резко уменьшается световой поток Ф, а при увеличении срок службы ламп Т снижается.

У люминесцентных ламп при U=1,1U_н срок службы снижается до 25%, а при U≤0,8U_н не происходит зажигания.

При снижении напряжения уменьшается крутящий момент асинхронных двигателей, их мощность и скольжение (S):

S= (n-n₀)/n₀

где n₀ –синхронное число оборотов;

n –фактическое число оборотов.

При снижении напряжения на 10% пусковой момент снижается примерно на 20%.

Отклонение напряжения влияет на работу практически всех потребителей.

3.7. Колебания напряжения - это разность между наибольшим (U max) и наименьшим (U min) действующим значением напряжения в процессе быстрого изменения режима работы: V1= U max - U min или V1%= U max - U min 100 Uн

Колебание напряжения (3.7.) вызывает соответствующее колебание характеристик токоприемников, зависящих от величины напряжения.

Отклонения и колебания напряжения в питающей сети возникают при работе мощных потребителей, мощность которых соизмерима с мощностью к.з. энергосистемы.

Отклонение напряжения у потребителей происходит также из-за потерь напряжения в питающих линиях электропередач- воздушных или кабельных.

§ 4.Смещение нейтрали и несимметрия напряжения основной частоты

3.8.Смещением нейтрали называется возникновение напряжения между нейтралью приёмника энергии О, и нейтралью генератора О.

Смещение нейтрали (3.8.) происходит при несимметрии напряжений (3.9.) или токов трёхфазной системы.

3.9.Несимметрией трёхфазных напряжений или токов будем называть неравенство фазных напряжений или токов источника или потребителя электроэнергии.

В симметричной системе напряжение смещения нейтрали равно нулю.

Различают несимметрию продольную (3.10.) и поперечную (3.11.)

3.10. Несимметрия токов и напряжений, обуславливаемая несимметрией элементов сети, называется продольной несимметрией.

3.11.Несимметрия напряжений и токов, вызванная подключением к сети многофазных и однофазных несеммитричных нагрузок, называется поперечной несимметрией.

Продольная несимметрия возникает при неравенствах питающих напряжений или токов, например, при обрыве фаз питающей сети.

Поперечная несимметрия возникает при неравенстве активных сопротивлений отдельных фаз приёмников электроэнергии.

Несимметрия токов или напряжений в трёхфазных системах переменного тока может приводить к ненормальным режимам работы токоприемников и всей системы электроснабжения, вызывать дополнительный нагрев и перегруз.

Напряжение смещения нейтрали определяется формулой:

где Е_А, Е_В, Е_С ЭДС источника питания, В;

Y_А + Y_В + Y_С- проводимости фаз потребителя электроэнергии Y_А=1/Z_А, Y_В=1/Z_В, Y_С =1/Z_С;

Z_А, Z_В, Z_С- сопротивления фаз, Ом.

Кроме несимметрии фазных напряжений, может быть несимметрия междуфазных напряжений. Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений(3.12.)

ε₂= U₂ 100%,

U_н

где U₂ –напряжение фазы 2 приёмника, В;

U_н- номинальное напряжение токоприёмника, В.

3.12.Коэффициент несимметрии напряжений характеризует отклонение фазного напряжения токоприемника в процентах от его номинального напряжения.

Коэффициент несимметрии токов (3.13.)определяется аналогично:

K₁= I₂ 100%,

I_н

Где I₂-фазный ток приёмника, А;

I_н- номинальный ток приёмника, А.

3.13. Коэффициент несимметрии токов характеризует отклонение фазного тока токоприемника в процентах от его номинального значения.

ГОСТ 13109 нормирует коэффициент несимметрии ε не более 2%, т.е. ε≤2%.

Несимметрия напряжений приводит к неуравновешенности системы электроснабжения, которая характеризуется коэффициентом неуравновешенности (3.14.)

3.14. Коэффициент неуравновешенности показывает какую долю в процентах составляет напряжение смещения нейтрали от номинального напряжения системы электроснабжения.

При наличии напряжения смещения нейтрали возникают напряжение нулевой последовательности.

Коэффициент неуравновешенности системы:

ε₀= U₀ / U_{н *}100%,

Где U₀ –напряжение смещения нейтрали (напряжение нулевой последовательности), В;

U_н- номинальное напряжение системы электроснабжения, В.

Токи нулевой последовательности постоянно проходят через заземлители и оказывают на них отрицательное воздействие. Несимметрия напряжения оказывает негативное влияние на работу многих приёмников электроэнергии.

Синхронные машины. Происходит нагрев и потери энергии в статоре и в роторе.

Асинхронные двигатели. Несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также обуславливает противодействующий момент. Уменьшение вращающего момента пропорционально квадрату коэффициента несимметрии.

Многофазные выпрямители. Несимметрия напряжения приводит к снижению мощности выпрямителя.

Конденсаторные установки. Подключение к несимметричной сети может вызвать ещё большую несимметрии.

Трансформаторы, кабельные и воздушные линии. Повышается нагрев трансформаторов, уменьшается пропускная способность линий.

Линии освещения. Лампы, присоединенные к фазам с более высоким напряжением имеют меньший срок службы.

Основные меры снижения несимметрии напряжения.

Распределение нагрузки равномерно по фазам, симметрирование трехфазной нагрузки с помощью несимметричной конденсаторной батареи. Применение тиристорных регуляторов напряжения.

§ 5.Несинусоидальность формы кривой напряжения(3.15.)

3.15.Несинусоидальностью формы кривой напряжения называется отклонение от синусоиды формы мгновенного значения фазного или линейного напряжения в системе электроснабжения потребителей электроэнергии.

Главной причиной возникновения искажения синусоидальной формы тока или напряжения являются нелинейные элементы в системе электроснабжения и потребления.

Протекание несинусоидального тока по линии электропередачи (1.8) вызывает дополнительные потери мощности в трехфазной системе (ΔР):

i

ΔР= 3 ∑ I²_i R_i,

I_{i –} действующее значение несинусоидального тока і-ой гармоники;

R_{i –}сопротивление в цепи і-ой гармоники;

-сумма произведений квадратов тока гармоник на сопротивление в цепи гармоник от 1-ой до і-ой.

Наличие гармоник может создать отрицательные моменты на валу двигателя. Несинусоидальные токи создают по закону индукции большие помехи в проводах линии связи и каналах телемеханики.

Коэффициент несинусоидальности (3.16):

где Ui –напряжение і-ой гармоники, В;

U_н- номинальное напряжение системы, В;

і

∑ -сумма квадратов напряжений гармоник несинусоидального 1 тока от 1-ой до і-ой.

3.16.Коэффициент несинусоидальности показывает, какую долю в процентах составляет действующее (эффективное) значение несинусоидального напряжения от номинального напряжения системы электроснабжения или номинального напряжения потребителя электроэнергии.

Согласно ГОСТ13109 на зажимах электроприемников несинусоидальность формы кривой напряжения должна быть ограничена таким образом, чтобы действующее значение всех высших гармоник не превышало 5% действующего значения напряжения основной частоты 50 Гц (K_нс≤5%).

Основным источником высших гармоник являются вентильные преобразователи, дуговые электропечи, сварочные машины, коммутационные аппараты, люминесцентные лампы, электрооборудование со стальными сердечниками (K_нс=20%).

Методы и средства уменьшения несинусоидальности напряжения в электрических сетях

1.Увеличение числа фаз выпрямителя.

Сглаживание кривой выпрямленного тока.

2.Применение фильтров высших гармоник.

3.Контроль несинусоидальности напряжения и принятия мер по уменьшению несинусоидальности по результатам контроля.

§ 6.Способы и средства повышения качества электроэнергии.

1.Применение способов и средств регулирования напряжения.

2.Изменение сопротивления элементов сети.

3.Изменение реактивного тока.

4.Изменение коэффициента трансформации трансформаторов и автотрансформаторов.

5.Ограничение токов пуска.

6.Применение автоматического регулирования возбуждения мощных синхронных двигателей для уменьшения выбросов реактивного тока.

7.Применение самостоятельных линий питания для особо мощных двигателей.

8.Переход на более высокое напряжение питания двигателей.

9.Замена асинхронных двигателей с к.з. ротором на двигателе фазным ротором.

10.Применение продольной компенсации реактивности линий.

11.Применение синусоидальных реакторов.

Эти и другие возможные меры должны обеспечить показатели качества электроэнергии, регламентируемые стандартами и другими нормативными документами, удовлетворяющие требованиям потребителей электроэнергии и обеспечивающие нормальную работу токоприемников.