Качество электроэнергии и его обеспечение

Распопов Е. В. Электрические системы и сети. Качество электроэнергии и его обеспечение. 1990.
В работе по курсу «Электрические системы и сети» кратко изложены вопросы действующего нормирования показателей качества электроэнергии, их обеспечения и вопросы оптимизации рабочих режимов электрических сетей и систем.
Конспект лекций предназначен для студентов специальностей 10.01, 10.04 и может быть полезен для студентов других электроэнергетических специальностей.
Научный редактор Рубисов Г. В., д-р техн. наук, проф.
Рецензенты: кафедра автоматизированных электрических станций и систем Северо-Западного заочного политехнического института; Абрамович Б. //., д-р техн. наук, проф. Ленинградского горного института имени Г. В. Плеханова.

1. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
1.1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ,
ИХ НОРМИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ
Качество электрической энергии — это степень соответствия ее параметров их установленным значениям. Параметр электрической энергии — величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электрической энергии. Показатель качества электрической энергии — величина, характеризующая качество электрической энергии по одному или нескольким ее параметрам. Норма качества электрической энергии — установленное предельное значение показателя качества электрической энергии.
Потребители работают эффективно лишь при определенном качестве электроэнергии, которое оценивается показателями качества, нормированными ГОСТ 13109 — 87 для электрических сетей общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются приемники или потребители электрической энергии [7].
Показатели качества электрической энергии (ПКЭ) разделяют на две группы: основные и дополнительные. Основные ПКЭ определяют свойства электрической энергии, характеризующие ее качество. Дополнительные ПКЭ представляют собой формы записи основных ПКЭ, используемые в других нормативно-технических документах.
К основным ПКЭ относят отклонение напряжения размах изменения напряжения , дозу колебаний напряжения . коэффициент несинусоидальности кривой напряжения Кнси, коэффициент п-й гармонической составляющей Киспу. коэффициент обратной последовательности напряжения Kw, коэффициент нулевой последовательности напряжения Каи, отклонение частоты Дf, длительность провала напряжения Д^п, импульсное напряжение Uaмп.
К дополнительным ПКЭ относят коэффициент амплитудной модуляции Кмод, коэффициент небаланса междуфазных напряжений Кнеб, коэффициент небаланса фазных напряжений Кнеб ф.
Отклонение напряжения — величина, равная разности между значением напряжения в данной точке системы электроснабжения в рассматриваемый момент времени и его номинальным или базовым значением. Оценивается в процентах:
" U)
где U и t/ном — соответственно действительное и номинальное значения напряжения, В, кВ.
Размах изменения напряжения — разность между амплитудными или действующими значениями напряжения до и после одиночного изменения напряжения. Оценивается в процентах:
(2)
где (У, и i/j+i — значения следующих друг за другом экстремумов (или экстремума и горизонтального участка) огибающей амплитудных значений напряжения, В, кВ.
Доза колебаний напряжения — интегральная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение миганиями света, Дозу колебаний в процентах в квадрате при периодических ш?и близких к периодическим изменениям напряжения допускается вычислять по формуле
. (3)
где 0 — интервал времени усреднения, равный 10 мин; g/ —коэффициент приведения действительных размахов изменений напряжения к эквивалентным; —действующие значения составляющих разложения в ряд Фурье изменений напряжения с размахом
Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения — значение, равное отношению корня квадратного из суммы квадратов действующих значений высших гармонических составляющих, кратных основной частоте, к номинальному напряжению. Оценивается в процентах:
где f/(„) — действующее значение п-й гармонической составляющей напряжения, В, кВ; п — порядок гармонической составляющей напряжения; N—порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения.
Коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения— отношение действующего значения п-й гармонической составляющей напряжения к действующему значению гармонической составляющей основной частоты. Оценивается в процентах:
(5)
где U(n) — действующее значение п-й гармонической составляющей напряжения, В, кВ.
Коэффициент обратной последовательности напряжения- величина, равная отношению напряжения обратной последовательности к напряжению прямой последовательности в многофазной системе электроснабжения. Вычисляется в процентах: '
(6)
где U2{ 1, —действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В., кВ; [/ном — номинальное значение междуфазного напряжения. В, кВ.
Коэффициент нулевой последовательности напряжения — величина, равная отношению напряжения нулевой последовательности к фазному напряжению прямой последовательности в многофазной системе электроснабжения. Вычисляется в процентах:
(7)
где U0(1) — действующее значение напряжения пулевой последовательности основной частоты, В, кВ; Uном ф — номинальное значение фазного напряжения, В, кВ.
Отклонение частоты — величина, равная разности между значением частоты в системе электроснабжения в рассматриваемый момент времени и ее номинальным или базовым значением. Оценивается в герцах:

где / — действительное значение частоты, Гц; /НОм — номинальное значение частоты, Гц.
Длительность провала напряжения — интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого уровня. Оценивается в секундах:
(9)
где Ль — начальный и конечный моменты провала напряжения, с.
Импульсное напряжение — максимальное мгновенное значение напряжения импульса. Оценивается в относительных единицах:
(10)
где t/имп — значение импульсного напряжения, В, кВ.
Методика вычисления дополнительных ПКЭ, а также вспомогательных' параметров электрической энергии, к которым относятся частота изменений напряжения F; интервал между изменениями напряжения ; глубина провала
напряжения ; интенсивность провалов напряжения т*;' длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды подробно изложена в [7].
Допустимые значения ПКЭ нормируются в двух уровнях: нормальном и максимальном. В нормальном режиме работы электрической сети значения ПКЭ не должны выходить за пределы максимальных, причем в течение каждых суток не менее 95% времени ПКЭ не должны выходить за пределы нормальных значений. В послеаварийном режиме работы электрической сети значения ПКЭ не должны превышать максимальных.
При аварийных режимах допускается кратковременный выход значений ПКЭ за установленные пределы, в том числе снижение напряжения вплоть до нулевого уровня, отклонение частоты до ±5 Гц, с последующим их восстановлением до значений ПКЭ, установленных для послеаварийного режима.
Допустимые значения ПКЭ в нормальном и послеаварийном режимах приведены в таблице.

Допустимые значения ПКЭ

Примечания
* определяется по методике Главгосэнергонадзора,
** определяется по методике, изложенной в [7];
в послеаварийных режимах работы допускается отклонение частоты от плюс 0,5 Гц до минус 1 Гц общей продолжительностью за год не более 90 часов,
**** нормирование с 01 09 89
При оценке качества электроэнергии в сетях часто принимают во внимание не только допустимость предельных отклонений показателя качества, но и их длительность Это вызвано тем, что большие отклонения, но кратковременные (например, отклонения напряжения до 10..15%) могут принести ущерб меньший, чем малые отклонения в допустимых пределах, но действующие длительный период. В таких случаях прибегают к интегральной оценке качества электроэнергии за контролируемый период Наиболее часто производится интегральная оценка качества напряжения
Изменения нагрузки электрической сети, а следовательно, и напряжений в узлах сети, имеют случайный характер, поэтому для оценки отклонений напряжения используют вероятностные методы анализа.
В качестве меры несовпадения напряжения с номинальным значением, часто применяется интегральная величина, равная среднему значению квадратов отклонений напряжения от номинального. Этот показатель называется неодинаковостью напряжения
(Ч)

где AU (t)—относительное отклонение напряжения на зажимах нагрузки; Т — период наблюдения.
Экономический ущерб потребителя примерно прямо пропорционален неодинаковости напряжения:
(12)
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от категории нагрузки, ее мощности и других показателей
Для автоматизации процесса интегральной оценки качества напряжения широко используется статистический анализатор качества напряжения (САК.Н).
Контроль показателей качества электроэнергии необходим для проверки соответствия их нормированным значениям, для выявления причин отклонения показателей, для разработки мероприятий по нормализации параметров, для оценки правильности проектных решений и т. п. Используются следующие виды контроля:

1. непрерывный, осуществляемый на шинах 6... 10 кВ центров питания (ТЭЦ, ГПП, ГРП) с помощью показывающих и регистрирующих приборов;

2. систематический, проводимый в заранее установленные моменты времени или в периоды максимальных и минимальных нагрузок с целью измерения статистических характеристик отклонения (обычно с применением САКИ);

3. эпизодический контроль, производимый по мере необходимости, как правило, при нестабильном графике нагрузки.

В пунктах раздела систем электроснабжения предприятия и системы контроль показателей осуществляется совместно персоналами энергосистемы и электротехнической службой предприятия.
По разным показателям качества электрической энергии допускается устанавливать различную периодичность и длительность измерения. Длительность измерения ПКЭ должна быть не менее 1 суток.
Рекомендуемые длительности и периодичности измерения устанавливаются правилами по контролю и анализу качества электрической энергии и регулированию напряжения в электрических сетях общего назначения Главгосэнергонадзора.

1. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ

Потребители электроэнергии рассчитываются на длительную работу с номинальными электрическими параметрами режима (fн, Un, Iн и др.), при которых они обладают наивысшими технико-экономическими показателями. Однако при передаче электроэнергии от станций к потребителям качество ее ухудшается, так как в сетях имеют место потери напряжения, несимметрия нагрузки фаз вызывает несимметрию напряжений, наличие преобразовательных устройств приводит к несинусоидальности напряжений, а толчки нагрузки при отключении и подключении потребителей вызывают колебания частоты и напряжения. Указанные причины, а также ряд других факторов приводят к отклонению параметров качества электрической энергии от нормированных значений, что влияет на работу электроприемников.
Качество электроэнергии непосредственно связано с экономичностью производства, поскольку отклонения показателей качества от номинальных приводят к снижению КПД, коэффициента мощности, производительности, срока службы и других показателей потребителей электроэнергии.
Другим отражением качества электроэнергии является его влияние на сам предмет производства, на качество продукции. Действительно, отклонение показателей качества энергии от номинальных ведет непосредственно к нарушению технологических процессов (обработки, проката, гальванизации, нагрева и т. п.).
Качество электрической энергии связано и с некоторыми социальными проблемами. Так, например, недопустимые отклонения напряжения в осветительных сетях вызывают снижение освещенности, что сказывается на органах зрения человека. Появление высших гармонических в сетях электроснабжения вызывает не только нарушение работы радио- и телевизионной аппаратуры, но в определенных условиях воздействует и на здоровье людей. Высокочастотные вибрации рабочего инструмента, вызванные наличием высших гармонических, приводят к различным профессиональным заболеваниям рабочих.
Рассмотрим, как влияет отклонение параметров качества электроэнергии на работу электроприемников.
Отклонения и колебания напряжения в электрических сетях, вызываемые непрерывным изменением электрических нагрузок, приводят к изменению освещенности, повышению удельного расхода энергии, изменению технологических процессов, увеличению себестоимости продукции, браку и другим негативным последствиям, снижающим народнохозяйственную эффективность производства. Изменение напряжения в различных узлах сети может быть неодинаковым.
Наиболее чувствительны к отклонениям напряжения асинхронные двигатели, момент на валу которых пропорционален квадрату подведенного напряжения:
(13)
поэтому при больших отклонениях напряжения может наступить так называемое «опрокидывание» двигателя, т. е. торможение его до полной остановки.
Момент синхронных двигателей пропорционален напряжению. Изменения подведенного напряжения вызывают соответствующие изменения момента на валу, влияют на статическую устойчивость работы таких двигателей и на значение их располагаемой реактивной мощности.
Потребители, имеющие преобразовательные установки (управляемые выпрямители, преобразователи частоты и т.п.), на отклонения напряжения реагируют изменением угла регулирования и соответственно изменением коэффициента мощности установки.
Электротермические установки при уменьшении питающего напряжения снижают производительность, которая пропорциональна второй степени подводимого напряжения:
(14)
Отклонения напряжения в осветительных сетях влияют на весь производственный процесс, поскольку эти отклонения приводят к изменению освещенности, что в свою очередь вызывает повышенную утомляемость органов зрения, снижение производительности человека, увеличение травматизма и производственного брака.
Колебания напряжения, возникающие в электрических сетях при пусках мощных двигателей, при работе сварочных агрегатов, дуговых печей, вентильных установок и вследствие других причин, вызывают ощутимые последствия: в осветительных сетях — «мигание» ламп; в схемах автоматики — возникновение ложных команд; колебания влияют на пуск двигателей, на самоотключение контакторов, пускателей и др. Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии людьми предметов, деталей, графических материалов, что в конечном итоге приводит к снижению производительности труда. Колебания напряжения, вызванные мощными периодическими нагрузками (прокатным станом, мощными компрессорными установками и т. п.), могут привести к колебаниям электромагнитного момента, активной и реактивной мощности генераторов ТЭЦ предприятия.
Методики количественной оценки влияния колебаний напряжения на производственные процессы, оборудование, на рабочий персонал в настоящее время не имеется.
Несимметричный режим многофазной системы электроснабжения вызывает появление наряду с системой прямой последовательности напряжений систем обратной и нулевой последовательностей. При наложении на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности. становятся несимметричными и фазные и линейные напряжения сети (рис. 1). Наложение же системы нулевой последовательности (рис. 2) приводит к несимметрии фазных напряжений сети, тогда как система линейных напряжений остается симметричной. В такой системе происходит смещение нейтрали.

Рис, 1

Рис. 2
Причины возникновения несимметрии напряжений следующие: наличие несимметричной нагрузки, различие параметров фаз на отдельных участках сети, отсутствие транспозиции фаз протяженных ЛЭП. Неуравновешенность напряжений вызывается в основном наличием мощных однофазных приемников. Искажение симметрии напряжений сети ухудшает условия работы потребителей, снижает их экономичность и ухудшает технические характеристики (возникают дополнительные потери в элементах сети, сокращается срок службы электрооборудования и т. п.).
Несимметрия напряжений приводит к возникновению в электрических машинах магнитных полей, вращающихся соответственно с синхронной частотой вращения в направлении вращения ротора (результат прямой последовательности напряжений) и с той же скоростью в противоположном (результат обратной последовательности напряжений). В итоге создается тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев активных частей машин. Дополнительный нагрев электрических машин вынуждает снижать их располагаемую мощность, чтобы сохранить нормированный срок службы.
В электрических машинах несимметрия напряжений, помимо рассмотренных последствий, может привести к появлению вибраций ротора, возникающих в результате знакопеременных вращающих моментов, которые могут вызвать разрушение механических конструкций машины.
Несимметрия напряжений вызывает повышенный нагрев трансформаторов, а следовательно, и сокращение срока их службы.
Весьма существенно несимметрия напряжений влияет на батареи конденсаторов, так как реактивная мощность, генерируемая батареей, зависит от наличия напряжения обратной последовательности фаз.
Несимметрия напряжений не оказывает заметного влияния на работу воздушных и кабельных линий, но срок службы оборудования этих линий может заметно снизиться.
Изменение синусоидальной формы напряжения возникает в электрических сетях, имеющих элементы, генерирующие высшие гармоники: оборудование с нелинейными насыщающимися магнитопроводами, выпрямительные установки, преобразователи частоты. Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики, связи. Они вызывают дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, сокращают срок их службы, повышают аварийность кабельных сетей, приводят к перегрузке по току конденсаторные батареи, создают условия для резонансных явлений в сетях, ускоряют старение изоляции электрооборудования.
Активные сопротивления элементов электрических сетей для высших гармоник практически остаются постоянными, а индуктивные и емкостные с ростом номера гармоники значительно меняются:
(15)
где v — номер гармоники; fv—vf1 — частота v-й гармоники (fi — частота первой гармоники). Эти изменения реактивных сопротивлений и приводят к указанным негативным последствиям при несинусоидальных напряжениях
Снижение коэффициента несинусоидальности осуществляется различными путями: увеличением числа фаз выпрямительных и преобразовательных установок; применением фильтров, настроенных на определенные частоты; подключением к сети нагрузок, имеющих малые сопротивления для высших гармоник.
Отклонения частоты наиболее чувствительно влияют на синхронные двигатели, угловая скорость которых линейно зависит от частоты питающего.напряжения:
Практически линейно от частоты зависит и угловая скорость асинхронных двигателей.
На указанных двигателях в основном строятся электроприводы рабочих механизмов, поэтому снижение частоты приводит к снижению их производительности, а в ряде случаев и к нарушению технологических процессов. При уменьшении частоты нарушается работа и механизмов собственных нужд электростанций (дутьевые вентиляторы, дымососы, циркуляционные насосы и др.), что может привести к остановке станции и даже к выходу из работы системы. Отклонения частоты также оказывают влияние на распределение нагрузки между параллельно работающими электростанциями.
Колебания частоты в системе вызываются большими возмущающими воздействиями: короткими замыканиями, подключением и отключением потребителей, периодическими нагрузками большой мощности. Колебания частоты могут вызвать «качания» двигателей и даже генераторов электростанций.

2. ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПОНЯТИЕ ОБ УПРАВЛЕНИИ РЕЖИМОМ

В любой энергосистеме происходит непрерывное изменение частоты, напряжений, углов сдвига между напряжениями различных узлов системы, токов, активной и реактивной мощности и других показателей, которые называются параметрами режима.
Состояние энергетической системы, характеризуемое сочетанием ряда показателей, называется режимом энергосистемы.
Различают следующие режимы работы энергосистем.
Нормальный — это режим, при котором параметры находятся в пределах допустимых отклонений, нагрузки изменяются медленно и электростанции успевают регулировать параметры режима. При нем возможны кратковременные отклонения параметров (например, при включении или отключении отдельных элементов системы) с быстрым (доли секунды) восстановлением установившегося нормального состояния. Различают нормальные режимы наибольших нагрузок, наименьших и др.
Переходный режим — это режим перехода системы из одного установившегося состояния в другое, имеющий место при неожиданных схемных изменениях, а также при резких изменениях потребляемых или генерируемых мощностей. К таким режимам приводят короткие замыкания, аварии, отключения элементов системы, резкое снижение напора воды на ГЭС или падение давления пара на тепловых станциях и т. д. Параметры переходного режима могут резко отклоняться от нормированных. Переходные режимы могут быть симметричными и несимметричными.
Послеаварийный режим возникает после отключения аварийной части системы и стабилизации новых параметров режима. Обычно этот режим отличается от доаварийного, поскольку из работы выводится часть элементов системы, может измениться конфигурация сети. Параметры режима могут выходить за нормированные пределы. В том случае, если параметры режима остались в допустимых пределах, исход аварии считается благополучным. Наиболее опасны послеаварийные режимы при максимальных нагрузках.
Особые режимы характеризуются наличием существенной несимметрии трехфазной системы или наличием высших гармонических. К таким режимам относятся неполнофазные режимы с одной или двумя отключенными фазами, режимы работы с мощными вентильными установками и т. п. Особые режимы не являются нормальными, но могут использоваться, если они технически допустимы и экономически целесообразны.
С точки зрения экономических и технических показателей в первую очередь анализируют нормальные и послеаварийные установившиеся режимы системы. Одной из основных задач анализа является определение оптимальных параметров режима. Комплексной задачей оптимизации режима является обеспечение наивыгоднейшего распределения активной и реактивной мощности в системе, отвечающего минимуму приведенные затрат на производство и передачу электроэнергии. Эта задача имеет ряд ограничений (по уровню напряжения, по предельной мощности оборудования и т. п.), поэтому она часто сводится к задаче достижения минимума потерь мощности в системе.

Общая задача управления режимом электрической системы разделяется на управление его составляющими посредством отдельных систем управления. Их суммарное воздействие должно приводить к решению общей задачи. Составляющими системы управления режимом являются: система управления частотой и активной мощностью f, Р, система управления напряжением и реактивной мощностью U, Q и противоаварийная система ПАС. Эти три подсистемы (рис. 13) взаимодействуют между собой, осуществляя общее управление режимом системы на основании текущей информации, поступающей от информационной системы (ИС).

Рис. 13
Управление режимом системы представляет собой сложную комплексную задачу, которая решается в условиях непрерывно меняющихся нагрузок с помощью вычислительной техники на основании экономико-математических моделей.

2.2. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ И МЕТОДЫ ИХ СНИЖЕНИЯ

В среднем потери активной мощности при передаче электроэнергии от источника до потребителя составляют 10......]5% суммарной мощности энергосистемы, причем в зависимости от уровня напряжения они усредненно распределяются так (в процентах от суммарных потерь в энергосистеме):
сети 0,4 кВ 15... 25%,
сети 6... 10 кВ 20... 25 %,
сети 35 кВ 2... 3%,
сети 110... 220 кВ 40... 50%,
сети 330 кВ и выше 8... 10%.
Потерн приносят огромный ущерб государству, исчисляемый сотнями миллионов рублей в год. Известно, что потери полной мощности в сетях определяются как
(27)
где S, Р, Q — полная, активная и реактивная мощности, передаваемые сетью; МБ-А, МВт, Мвар; U—напряжение сети, кВ; R, X — активное и реактивное сопротивления сети, Ом.
При управлении режимом работы системы одной из основных задач является сведение к минимуму потерь мощности. Различают меры по снижению потерь на технические, организационные и коммерческие.
Техническими мерами являются применение компенсирующих устройств, увеличение сечения проводов, установка трансформаторов с номинальной загрузкой, установка регулирующих устройств (линейных регуляторов, трансформаторов с РПН и ПБВ, шунтирующих реакторов), применение автотрансформаторов, автоматическое регулирование мощности конденсаторных батарей, применение устройств регулирования потоков мощности, формирование оптимальных конфигураций сетей, внедрение эффективных средств автоматики, телемеханики, релейной защиты и т. п.
Организационные меры включают оптимизацию режимов системы по реактивной мощности, оптимизацию токоразделов сетей 6... 35 кВ, использование генераторов станций в режиме СК при дефиците реактивной мощности в системе, выбор оптимальных законов регулирования компенсирующих устройств и коэффициентов трансформации трансформаторов, оптимизацию рабочих напряжений центров питания, отключение трансформаторов при малых загрузках, симметрирование нагрузок фаз и другие.
Коммерческие меры применяются при расчетах с потребителями. К этим мерам относятся установка счетчиков энергии, совершенствование систем учета, борьба с хищениями, совершенствование обслуживания и т. п.
Изменения активной и реактивной мощности нагрузок потребителей вызывают изменения потоков в энергосистеме с соответствующим изменением потерь, поэтому в системе необходим непрерывный контроль за уровнем потерь и за потокораспределением, поскольку они характеризуют экономичность всей системы электроснабжения. В современных условиях эти задачи и целый ряд других сопутствующих задач решаются путем применения автоматизированных систем управления электроснабжением (АСУ ЭС) на различных уровнях от предприятий и выше.