2020-10-10
432
Анализ влияния отклонения частоты в электросистеме на работу электроприемников
На работу электроприемников влияют электромагнитные и технологические отклонения частоты. Электромагнитная составляющая образуется за счет увеличения потерь активной мощности и роста потребления активной и реактивной мощностей. Можно считать, что снижение частоты на 1% увеличивает потери в сетях на 2%.
Технологическая составляющая вызвана в основном недовыпуском промышленными предприятиями продукции. Согласно экспертным оценкам, значение технологического ущерба на порядок выше электромагнитного.
Анализ работы предприятий с непрерывным технологическим процессом показал, что большинство технологических линий оборудовано механизмами с постоянным и вентиляторным моментами сопротивлений, а их приводами служат асинхронные двигатели. Частота вращения роторов этих двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зависит от частоты вращения ротора двигателя. При значительном повышении частоты в энергосистеме, например, в случае «сброса» нагрузки, возможно повреждение оборудования.
Пониженная частота в электрической сети влияет на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных элементов.
Влияние изменения нагрузки потребителей при изменении частоты можно проанализировать с помощью статических характеристик обобщенного узла нагрузки от частоты, приведенных на рис. 2.1.
Из рис. 2.1 видно, что снижение частоты до значения 
, при водит к увеличению потребляемой нагрузкой реактивной мощности Q* до значения Q*1, а это влечет за собой понижение напряжения в узле присоединения нагрузки. При этом потребляемая активная мощность снижается до Р*1. Обычно увеличение потребляемой реактивной мощности выше, чем снижение активной мощности, что приводит к увеличению перетоков полной мощности по элементам сети и, следовательно, к увеличению потерь мощности и энергии в сети.
Рис. 2.1 - Статические характеристики обобщенного узла нагрузки от частоты
Нагрузки потребителей в сети могут изменяться различным образом. При малых изменениях нагрузки в системе требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты в системе может производится на одной, так называемой частотно-регулирующей станции. При больших изменениях нагрузки увеличение мощности должно быть предусмотрено на значительном числе станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемыми изменениями нагрузок потребителей заранее составляются графики соответствующего изменения нагрузки электростанций. При этом предусматривается экономическое распределение нагрузок между станциями.
При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно работающие части. В некоторых из них мощность электростанций может оказаться недостаточной для поддержания частоты и будут наблюдаться большие изменения частоты. Это, как уже отмечалось, приведет к резкому снижению производительности оборудования собственных нужд электростанций (питательных и циркуляционных насосов, дымососов и т.д.), что вызовет дальнейшее значительное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из параллельной работы. Для предотвращения общесистемных аварий в подобных случаях предусматривают специальные автоматические устройства частотной разгрузки (АЧР), отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей.
После ликвидации дефицита мощности, например, после включения резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (АПВЧ) включают отключенных потребителей, и нормальная работа системы восстанавливается.
Анализ влияния уменьшения и увеличения напряжения на работу электроприемников
Все приемники электроэнергии спроектированы для работы при номинальном напряжении и должны обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную ГОСТ величину. В пределах этого рабочего диапазона изменения напряжения могут изменяться значения выходного параметра приемника электроэнергии, например, освещенность у электроосветительной установки, полезная мощность на валу электродвигателя и т.д.
Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения.
Статическую характеристику по напряжению для ламп накаливания приближенно можно записать так:
(2.1)
где Uп* - относительное значение напряжения Uп на приемнике электроэнергии от номинального Uпном; рл.н·Uп, рл.н·Uпном - активная нагрузка лампы накаливания при напряжении Uп и при номинальном напряжении Uпном.
Исследования показали, что при изменении напряжения изменяется освещенность, световой поток и срок службы лампы. На каждый процент понижения напряжения световой поток уменьшается приблизительно на 3,6%. Срок службы увеличивается приблизительно на 1,3%.
Люминесцентные лампы также изменяют свое потребление с изменением напряжения. Статическую характеристику по напряжению для активной мощности люминесцентных ламп приближенно можно записать так:
(2.2)
для реактивной мощности
(2.3)
Регулирующий эффект люминесцентных ламп по схеме с расщепленной фазой равен примерно 1,9 для активной мощности, а для реактивной мощности регулирующий эффект для люминесцентных ламп может быть оценен величиной 1,5. Срок службы люминесцентных ламп изменяется с изменением напряжения: на 1% понижения напряжения срок службы в среднем увеличивается на 2%.
Для ламп ДРЛ с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) регулирующий эффект по реактивной мощности равен 4,5.
Электрохимические и электролизные установки работа ют на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8...0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению производительности, а повышение напряжения - к недопустимому перегреву ванн электролизера.
Работа электротермических установок при значительном снижении напряжения существенно ухудшается, так как увеличивается длительность технологического процесса.
Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением
0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект активной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряжения приводит к перерасходу электроэнергии.
Индукционные плавильные печи промышленной частоты и повышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.
Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 - для дуговой сварки и 0,7 - для контактной. При снижении напряжения до Uном время сварки увеличивается на 20%, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1) Uном возникает брак сварных швов.
Вентильные преобразователи обычно имеют систему автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регулирования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем. Регулирующие эффекты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизером для активной мощности 3,5; для реактивной мощности 7,6.
Силовые трансформаторы. Потери активной мощности в стали трансформаторов изменяются пропорционально квадрату изменения величины напряжения, приходящейся на виток первичной обмотки трансформатора. При напряжении сети, на а% отличающемся от напряжения ответвления трансформатора, потери активной мощности в стали можно с достаточной точностью найти по формуле
(2.4)
где DРст.ном - потери в стали при номинальном напряжении.
Намагничивающая мощность трансформаторов резко меняется с изменением напряжения, подводимого к трансформатору. Намагничивающая мощность изменяется пропорционально пятой степени напряжения и может быть определена по формуле
(2.5)
где DQcm.ном - намагничивающая мощность трансформатора при номинальном напряжении.
Потери в реактивном сопротивлении трансформатора можно считать изменяющимися пропорционально квадрату намагничивающей силы первичной обмотки. При напряжении на а% выше напряжения ответвления потери реактивной мощности в обмотках трансформатора могут быть найдены по формуле
(2.6)
где DQм.ном - потери в реактивном сопротивлении рассеяния трансформатора при номинальном напряжении.
Статические характеристики потерь мощности в стали транс форматоров напряжением 10/0,4 кВ:
(2.7)
Конденсаторы. Реактивная мощность конденсаторов, как и любого постоянного сопротивления, пропорциональна квадрату напряжения:
(2.8)
где Хс - сопротивление конденсаторной батареи; знак минус поставлен потому, что знак емкостного сопротивления противоположен знаку индуктивного сопротивления, принимаемому положительным. Регулирующий эффект батареи конденсаторов отрицателен и равен - 2. Это значит, что при понижении напряжения в сети мощность конденсаторов снижается пропорционально квадрату напряжения.
Асинхронные двигатели. На характер статических характеристик асинхронного двигателя наибольшее влияние оказывают номинальная мощность двигателя, его коэффициент за грузки и коэффициент, учитывающий изменение момента сопротивления производственного механизма при изменении скорости вращения ротора двигателя.
Зависимости регулирующих эффектов нагрузки АД по активной а1 и по реактивной b1л мощности от его коэффициента нагрузки кз при коэффициенте сопротивления механизма α= 0, показаны на рис. 2.2 и 2.3.
Рис. 2.2. Регулирующие эффекты нагрузки АД по активной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α =0
Рис. 2.3. Регулирующие эффекты нагрузки АД по реактивной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α =0
При изменении напряжения на зажимах двигателя на 1% от номинального происходит изменение е ту же сторону потребляемой активной мощности на 0,05...0,35%, а реактивной мощности - на 0,8...3,2% при изменении кз от 1 до 0.
Следовательно, снижение напряжения, подводимого к АД, в допустимых пределах может привести к снижению потребления мощности. При этом эффективность снижения потребления реактивной мощности увеличивается с уменьшением номинальной мощности и коэффициента загрузки двигателя.
Анализ влияния колебаний напряжения на работу электроприемников
Воздействие колебаний напряжения на осветительные установки, влияющие на зрение человека, определяет ГОСТ 13109- 97. Мигание ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Степень раздражения органов зрения зависит от величины и частоты мигания. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывают мигания света с частотой 3...10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны (см. п. 1.4): менее 0,5%. Степень воздействия зависит от типа источника света. При одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают значительно большее воздействие, чем газоразрядные лампы.
Если колебания напряжения превысят 10%, то может произойти погасание газоразрядных ламп. Зажигание их в зависимости от типа ламп происходит через несколько секунд или даже минут. При глубоких колебаниях напряжения (более 15%) мо гут отпасть контакты магнитных пускателей, вызвав нарушения технологии производства, выйти из строя конденсаторы, а так же вентильные выпрямительные агрегаты.
На металлургических заводах к числу приемников, чувствительных к колебаниям напряжения, относятся станы непрерывной прокатки.
При колебаниях напряжения возникают качания турбогенераторов, Для самих турбогенераторов такие качания не опасны, однако, передаваясь на лопатки турбины, они могут привести в действие регуляторы скорости. Существенное влияние оказывают колебания напряжения на работу асинхронных двигателей небольшой мощности. Колебания недопустимы для асинхронных приводов текстильного, бумагоделательного и других производств, предъявляющих особенно высокие требования к точности поддержания частоты вращения.
Колебания напряжения с размахом 5% вызывают резкое увеличение износа анодов электролизных установок и сокращение срока их службы. Колебания напряжения отрицательно влияют на контактную сварку. Это воздействие сказывается как на качестве самого сварочного процесса, так и ненадежности работы управления сваркой. На качество напряжения в сетях контактной сварки накладываются жесткие ограничения по раз маху изменений напряжения: 5% для сварки обычных сталей и 3% для сварки титановых и других жаропрочных сталей и сплавов. Продолжительность допустимых колебаний напряжения для аппаратуры управления машинами контактной сварки ограничивается величиной не более 0,2 с во избежание ложной работы этих устройств.
Колебания напряжения негативно влияют на работу радиоприборов, нарушая их нормальную работу и снижая срок службы. Помехи в телевизионных изображениях проявляются при частотах 0,5...3 Гц и заметны, главным образом, при неподвижных изображениях.
Чувствительны к колебаниям напряжения также вычислительные машины, рентгеновские установки и т.д. При работе ЭВМ в режиме управления иногда оказывается достаточным одного-двух колебаний напряжения с размахом 1... 1,5%, что бы произошел сбой в какой-либо ячейке машины и возникли ошибки в командах управления или при производстве расчетов.
Анализ влияния несимметриии напряжения на работу электроприемников
При появлении в трехфазной сети напряжения обратной последовательности ухудшается режим напряжений как трех фазных, так и однофазных электроприемников. Это следует из анализа приведенных на рис. 2.4 векторных диаграмм: прямой, обратной последовательностей и результирующих напряжений. В асинхронных двигателях несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5...7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляющей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его располагаемая мощность. Быстро ста реет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при коэффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.
Рис. 2.4. Влияние появления напряжения обратной последовательности на величину результирующих напряжений сети: а- векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б- век торная диаграмма напряжений обратной последовательности; в- векторная диаграмма результирующих напряжений
При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных приемников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств.
Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние несимметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.
Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам.
Это делает невозможным полное использование их установленной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения).
Несимметрия напряжения значительно влияет и на электрическое освещение. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением.
Несимметрия усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.
Анализ влияния несинусоидальности напряжения на работу электроприемников
Чтобы оценить влияние напряжения высших гармоник на напряжение в сети рассмотрим, процесс изменения мгновенного (или действующего) значения напряжения на зажимах электроприемиика в этом случае (рис. 2.5).
Рис. 2.5 Влияние напряжения высшей гармоники на результирующее напряжение сети
Если допустить, что в сети появляется напряжение высшей гармоники с порядковым номером 2 (вторая гармоника), то очевидно, что возрастает амплитудное значение напряжения, а также его действующее значение.
При этом воздействие тока второй гармоники (f = 100 Гц) аналогично воздействию обратной последовательности, тока третьей гармоники (f = 150 Гц) - появлению нулевой последовательности. Появлению тока гармоники с большим порядковым номером сопутствует поверхностный эффект (вытеснение тока к поверхности проводника). Это приводит к дополнительным потерям тепла, нагреву изоляции электрооборудования и снижению срока его службы.
Несинусоидальные режимы в целом обладают теми же недостатками, что и несимметричные. Однако несинусоидальные токи приводят к большему дополнительному нагреву вращающихся машин, а также к большему дополнительному нагреву, увеличению диэлектрических потерь в конденсаторах и кабелях.
Проявление высших гармоник в сети приводит к нарушениям работы устройств телемеханики, автоматики, релейной за щиты, возможно возникновение резонансных режимов на высших гармониках (при этом резко возрастают токи и напряжения на отдельных участках).
Контроль КЭ и основные требования к цифровым средствам измерений
Контроль за соблюдением энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии требований стандарта осуществляют органы надзора и аккредитованные в установленном порядке испытательные лаборатории по качеству электрической энергии.
Контроль качества электрической энергии в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к системам электроснабжения общего назначения проводят энергоснабжающие организации (см. рис. 1.4). Указанные организации выбирают точки контроля в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке, и определяют периодичность контроля.
Периодичность измерений показателей КЭ устанавливают:
- для установившегося отклонения напряжения - не реже двух раз в год в зависимости от сезонного изменения нагрузок в распределительной сети центра питания, а при наличии автоматического встречного регулирования напряжения в центре питания - не реже одного раза в год. При незначительном изменении суммарной нагрузки центра питания и неизменности схемы сети и параметров ее элементов допускается увеличивать интервал между контрольными измерениями для установившегося отклонения напряжения;
- для остальных показателей - не реже одного раза в 2 года при неизменности схемы сети и ее элементов и незначительном изменении нагрузки потребителя, ухудшающего качество электроэнергии.
Конкретные сроки проведения периодического контроля качества электроэнергии в точках присоединения потребителей к системе электроснабжения общего назначения устанавливаются электроснабжающей организацией в эксплуатационных режимах, соответствующих нормальным схемам или длительным ремонтным схемам сетей общего назначения.
Потребители, ухудшающие качество электрической энергии, должны проводить контроль в точках собственных сетей, ближайших к точкам общего присоединения указанных сетей к электрической сети общего назначения, а также на выводах приемников электрической энергии, являющихся источниками кондуктивных электромагнитных помех.
Периодичность контроля качества электрической энергии устанавливает потребитель электрической энергии по согласованию с энергоснабжающей организацией.
Контроль качества электрической энергии, отпускаемый тяговыми подстанциями переменного тока в электрические сети напряжением 6-35 кВ, следует проводить:
- для электрических сетей 6-35 кВ, находящихся в ведении энергосистем,- в точках присоединения этих сетей к тяговым подстанциям;
- для электрических сетей 6-35 кВ, не находящихся в ведении энергосистем,- в точках, выбранных по согласованию между тяговыми подстанциями и потребителями электрической энергии, а для вновь строящихся и реконструируемых (с заменой трансформаторов) тяговых подстанций - в точках присоединения потребителей электрической энергии к этим сетям.
При измерении показателей КЭ с помощью цифровых средств измерений, реализующих алгоритм быстрого преобразования Фурье, в качестве /-го наблюдения исследуемой вели чины допускается рассматривать значение этой величины, полученное на выборке напряжения с шириной измерительного окна в соответствии с требованиями, указанными в табл. 2.1.
Таблица 2.1
| Характер изменения напряжения | Рекомендуемая ширина измерительного окна Tw, с | Дополнительные требования |
| Установившийся | 0,1-0,5 | Допускаются пробелы между окнами |
| Быстроизменяющийся, колеблющийся | 0,32 при прямоугольном окне 0,4-0,5 при окне Хеннинга | Не допускаются пробелы между окнами Должно обеспечиваться перекрытие смежных окон на 50% |
| Переходный | 0,08-0,16 при прямоугольном окне | Не допускаются пробелы между окнами |
Примечание. Общее время i-го наблюдения для определения усредняемого за 3 с значения показателя КЭ должно быть не более 10 с, если допустимы пробелы между окнами выборки. При этом окна выборок должны быть равномерно распределены на интервале обще го времени i-го наблюдения и суммарная ширина окон должна быть равна 3 с
