2020-05-12
1661
Качество электрической энергии и энергосбережение
Общие сведения
Обеспечение надежного качества электроэнергии (КЭ) ведет к повышению эффективности работы приемников электроэнергии и электроэнергетических систем.
Решение проблемы качества электроэнергии должно опираться на технико экономическое сопоставление эффекта от мероприятий по улучшению качества и неизбежных при этом дополнительных затрат.
Качество электроэнергии оценивается по технико-экономическим показателям, учитывающим ущерб от некачественной электроэнергии:
- технологический ущерб, обусловленный недоотпуском продукции, расстройством технологического процесса потребителей электроэнергии – ущерб в системах электроснабжения потребителей;
- электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, выражающийся в увеличении потерь электроэнергии и нарушении работы электрооборудования – ущерб в электроэнергетике.
Качество электроэнергии влияет, прежде всего, на технологический процесс производства и косвенно ухудшает показатели энергопотребления предприятия. Поэтому вопрос повышения качества электроэнергии в организации или на предприятии неразрывно связан с энергосбережением.
Качество электроэнергии связано с надежностью, поскольку нормальным считается режим электроснабжения, при котором потребители обеспечиваются электроэнергией нормированного качества, требуемого количества и бесперебойно. Рассмотрим вопросы качества электроэнергии подробнее.
Качество электроэнергии неразрывно связано с энергосбережением. Из-за плохого качества электроэнергии нарушается нормальный технологический процесс на предприятии. В организациях из-за плохого качества электроэнергии может выходить из строя оборудование, в том числе освещение, кондиционирование, компьютерная техника, дорогостоящее медицинское оборудование и др.
Структура показателей качества электроэнергии
Согласно новому стандарту [2] показатели качества электроэнергии делятся на две группы:
- показатели качества электроэнергии, вызванные продолжительными изменениями характеристик напряжения;
- показатели качества электроэнергии, обусловленные случайными событиями.
К показателям качества электроэнергии, вызванными продолжительными изменениями характеристик напряжения, относятся:
- отклонение частоты;
- медленные изменения напряжения;
- колебания напряжения и фликер;
- несинусоидальность напряжения;
- несимметрия напряжения в трехфазных системах;
- напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям.
К показателям качества электроэнергии, обусловленным случайными событиями, относятся:
- прерывания напряжения;
- провалы напряжения и перенапряжения;
- импульсные напряжения.
В стандарте [2] приняты обозначения, показанные в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Обозначение показателей КЭ
| Наименование показателей КЭ | Обозначение | ||||
|
|
| ||||
| Отклонение частоты | Δf | ||||
|
|
| ||||
| Отрицательное отклонение напряжения | dU (-) | ||||
| Положительное отклонение напряжения | dU (+) | ||||
| Колебания напряжения характеризуются: |
|
| |||
| - кратковременная доза фликера | Pst |
| |||
| - длительная доза фликера | Plt |
| |||
| Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения | KU (n) |
| |||
| Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряже- | KU |
| |||
| ния |
| ||||
|
|
| ||||
|
|
|
| |||
| Коэффициент несимметрии напряжения по обратной последо- | K 2 U |
| |||
| вательности |
| ||||
|
|
| ||||
|
|
|
| |||
| Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последо- | KoU |
| |||
| вательности |
| ||||
|
|
| ||||
|
|
|
| |||
| Длительность провала напряжения | Δtп |
| |||
| Длительность прерывания напряжения | Δtпp |
| |||
| Остаточное значение опорного напряжения | u% |
| |||
|
|
|
| |||
| Импульсное напряжение | Uимп |
| |||
Нормы показателей КЭ, согласно стандарту [2] показаны в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Нормы показателей КЭ
| Показатель КЭ, | Нормы КЭ (пункты стандарта) |
| |||||
|
|
| ||||||
| Единица измерения | нормально | допу- | предельно допу- |
| |||
| стимые | стимые |
| |||||
|
|
| ||||||
|
|
| ||||||
| Отрицательное отклонение напряжения, | 10 | - |
| ||||
| dU (-), % |
| ||||||
|
| |||||||
|
|
| ||||||
| Положительное отклонение напряжения, | 10 | - |
| ||||
| dU (+), % |
| ||||||
|
| |||||||
|
|
| ||||||
| Доза фликера, отн. ед. |
|
|
| ||||
| кратковременная PSt | - | 1,38 |
| ||||
| длительная PLt | - | 1,0 |
| ||||
|
|
|
| |||||
| Коэффициент искажения синусоидально- | По таблице 4, 5 | По таблице 4, 5 |
| ||||
| сти напряжения KU, % | [4] | [4] |
| ||||
|
|
|
| |||||
| Коэффициент n-ой гармонической состав- | По таблице 1, 2, 3 | По таблице 1, 2, 3 |
| ||||
| ляющей напряжения KU(n), % | [4] | [4] |
| ||||
|
|
|
| |||||
| Коэффициент несимметрии напряжений | 2 | 4 |
| ||||
| по обратной последовательности K2U, % |
| ||||||
|
|
|
| |||||
|
|
|
| |||||
| Коэффициент несимметрии напряжений | 2 | 4 |
| ||||
| по нулевой последовательности K0U, % |
| ||||||
|
|
|
| |||||
|
|
|
| |||||
| Отклонение частоты Df, Гц | ± 0,2 | ± 0,4 |
| ||||
|
|
|
| |||||
| Длительность провала напряжения Dtп, с | - | - |
| ||||
|
|
|
| |||||
| Импульсное напряжение Uимп, кВ | Таблица Б.1, Б.2 | Таблица Б.1, Б2 |
| ||||
| [4] | [4] |
| |||||
|
| |||||||
|
|
|
| |||||
Причины ухудшения качества электроэнергии
В таблице 2.3 показаны основные причины ухудшения показателей качества электроэнергии.
Таблица 2.3 – Виновники ухудшения качества электроэнергии
| Показатель КЭ | Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ | |||||
| Установившееся отклонение напряжения d Uy | Установившееся отклонение напряжения d Uy | |||||
| Размах изменения напряжения d Ut. Доза фли- | Потребитель | с | переменной | |||
| кера Pt | нагрузкой | |||||
| Коэффициент | искажения | синусоидальности | ||||
| кривой напряжения KU | Потребитель | с | нелинейной | |||
|
| нагрузкой | |||||
| Коэффициент n-ой гармонической составляю- | ||||||
| щей напряжения KU(n) | ||||||
|
| ||||||
| Коэффициент несимметрии напряжений по об- | ||||||
| ратной последовательности K2U | Потребитель | с | несиммет- | |||
|
| ричной нагрузкой | |||||
| Коэффициент несимметрии напряжений по ну- | ||||||
| левой последовательности K0U | ||||||
|
| ||||||
| Отклонение частоты Df | Энергоснабжающая органи- | |||||
| зация | ||||||
|
| ||||||
| Длительность провала напряжения D tп | Энергоснабжающая органи- | |||||
| зация | ||||||
|
| ||||||
| Импульсное напряжение Uимп | Энергоснабжающая органи- | |||||
| зация | ||||||
|
| ||||||
| Коэффициент | временного | перенапряжения | Энергоснабжающая органи- | |||
| КперU | зация | |||||
Определение показателей качества электроэнергии и причины возникновения их отклонений от нормы
Отклонение частоты напряжения переменного тока,в электрических сетяххарактеризуется показателем отклонение частоты (D f). Отклонение частоты от но-минальной равно разности фактического и номинального значений частоты.
Усредненное значение частоты fу вычисляется как результат усреднения N наблюдений fi (число наблюдений должно быть не менее 15) на интервале времени, равном 10 с, по формуле:
| (2.1) |
Отклонение частоты Δf определяется по формуле:
| D f = f у - fном, | (2.2) |
где fном - номинальное значение частоты, Гц.
Для указанного показателя качества электроэнергии установлены следующие нормы:
- отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения не должно превышать ± 0,2 Гц в течение 95 % времени интервала в одну неделю и ± 0,4 Гц в течение 100 % времени интервала в одну неделю;
- отклонение частоты в изолированных системах электроснабжения с авто-номными генераторными установками, не подключенных к синхронизированным системам передачи электрической энергии, не должно превышать ± 1 Гц в течение 95 % времени интервала в одну неделю и ± 5 Гц в течение 100 % времени интервала в одну неделю. При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, отно-сящимся к частоте, установленным в настоящем стандарте, должны быть проведены измерения по стандарту [5], класс А, при этом маркированные данные не учитыва-ют.
Причины отклонения и колебания частоты могут быть вызваны нарушением баланса между мощностью, вырабатываемой генераторами электростанции или энергосистемы, и мощностью, требуемой промышленными предприятиями. Основ-ной причиной возникновения колебаний частоты являются мощные приемники электроэнергии с резкопеременной активной нагрузкой (тиристорные преобразова-
тели главных приводов прокатных станов). Активная мощность этих приемников изменяется от нуля до максимального значения за время менее 0,1 с, вследствие чего колебания частоты могут достигать больших значений. Изменения частоты даже в небольших пределах влияют на работу электросетей и приемников электроэнергии.
Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напря-жения в электросетях и к недовыработке продукции. Влияние снижения частоты на потребляемую мощность электроприемников различно:
- потребляемая мощность приемниками электроосвещения, электропечами со-противления и дуговыми электропечами практически незначительно зависит от ча-стоты;
- мощность, забираемая механизмами с постоянным моментом на валу (ме-таллорежущие станки, поршневые насосы, компрессоры и др.), пропорциональна частоте;
- потери мощности в сети пропорциональны квадрату частоты;
- потребляемая механизмами с вентиляторным моментом сопротивления (цен-
тробежные насосы, вентиляторы, дымососы и др.) мощность пропорциональна ча-стоте в третьей степени;
- у центробежных насосов, работающих на сеть с большим статическим напо-ром (противодавлением), например, у питательных насосов котельных, потребляе-мая мощность пропорциональна частоте в степени выше третьей.
Изменение частоты существенно влияет на работу приборов и аппаратов, применяемых в телевидении, вычислительной технике.
Для восстановления номинального значения частоты необходимо разгрузить энергосистему при образовавшемся недостатке мощности. Это осуществляется устройствами автоматической частотной разгрузки (АЧР) или вручную персоналом энергосистемы путем отключения потребителей по питающим линиям (трансформа-торам) по специально разработанному, так называемому, аварийному графику (АГ).
Медленные изменения напряжения электропитания(как правило,продолжи-тельностью более 1 мин) обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети. Показателями КЭ, относящимися к медленным изменениям напряжения электропитания, являются отрицательное dU (-)и положительное dU (+)отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального/согласованного значения, %:
где U0 - напряжение, равное стандартному номинальному напряжению Unom или согласованному напряжению Uc;
Um(-), Um(+) -значения напряжения электропитания,меньшие U0 или большие U0,усредненные в интервале времени10мин в соответствии с требованиями ГОСТ[5], подраздел 5.12.
В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напря-жение электропитания Unom равно 220 В (между фазным и нейтральным проводни-ками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трехфазных систем). В элек-трических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания Uс. Для указанных выше показателей КЭ установлены следующие нормы:положи-тельные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю. Установленные нормы медленных изменений напряжения электропитания относятся к 100 % интер-валам времени измерений по 10 минут каждый. Допустимые значения положитель-ного и отрицательного отклонений напряжения в точках общего присоединения должны быть установлены сетевой организацией с учетом необходимости выполне-ния норм настоящего стандарта в точках передачи электрической энергии. В элек-трической сети потребителя должны быть обеспечены условия, при которых отклонения напряжения питания на зажимах электроприемников не превышают установ-ленных для них допустимых значений при выполнении требований настоящего стандарта к КЭ в точке передачи электрической энергии. При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, относящимся к медленным изменениям напря-жения, установленным в настоящем стандарте, должны быть проведены измерения по ГОСТ [5], подраздел 5.12, класс А, при этом маркированные данные не учитыва-ются.
Основными причинами отклонений напряжения в системах электроснабжения предприятий являются изменения режимов работы приемников электроэнергии, из-менения режимов питающей энергосистемы, значительные индуктивные сопротив-ления линий 6–10 кВ.
При отклонении напряжения от номинального значения потребители электро-энергии и электрические сети работают в худших условиях по сравнению с режи-мом номинальных напряжений.
При повышении напряжения:
- возникает опасность перегрева статоров асинхронных двигателей;
- уменьшается срок службы ламп накаливания (в 5 раз при увеличении напряжения на 10 %);
- увеличивается ток холостого хода трансформаторов, что приводит к перегреву сердечников трансформаторов;
- увеличивается потребление реактивной мощности вентильными преобразователями (на 1…1,5 % при повышении напряжения на 1 %).
При снижении напряжения:
- уменьшаются вращающие моменты асинхронных двигателей (на 19 % при снижении напряжения на 10 %);
- возможен перегрев роторов асинхронных двигателей, уменьшение их пуско-
вых и опрокидывающих моментов, что может повлечь за собой нарушение техноло-гического процесса электроприемников;
- уменьшается световой поток ламп накаливания (на 30 % при снижении напряжения на 10 %);
- возникает перерасход электроэнергии и ухудшается технологический процесс электропечей (в 1,5 раза при снижении напряжения на 7 %).
Ущерб от некачественного напряжения представлен в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Ущерб от некачественного напряжения
| Потребитель | Отклонение напряжения | Последствия |
| Установка электропечей для плавки цветных металлов | 3,86 | Перерасход энергии 65000 кВт∙ч/год |
| Цех горячей вулканизации обувной фабрики | 2,87 % | Ущерб более 1 млн. руб./год |
| Электроплавильная печь с производительностью 44 т. за сутки | Снижение на 5–9 % | Снижение производительности до 38,8 т. за сутки |
| Лампы накаливания | Повышение на 1 % | Увеличение потребляемой мощности приблизительно на 1,5 %, светового потока на 3,7 % и сокращение срока службы ламп накаливания на 14 % |
Для стабилизации напряжения на одном уровне необходимо иметь на пред-приятии гибкую систему регулирования напряжения. Существуют несколько спосо-бов регулирования напряжения в системах электроснабжения промышленных пред-приятий, которые можно классифицировать следующим образом.
Регулирование на шинах электростанций и подстанций. На шинах электриче-ских станций изменением тока возбуждения генераторов повышают напряжения в часы максимума нагрузки и снижают напряжения в часы минимума нагрузок. Регу-лирование напряжения на шинах понизительной подстанции 6–10 кВ может осу-ществляться при помощи трансформаторов, статических конденсаторов, синхрон-ных компенсаторов и т.д.
Регулирование на отходящих линиях. Индивидуальное регулирование напря-жения на каждой отходящей от шин подстанции линии является эффективным спо-собом. В этом случае могут быть использованы трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, вольтдобавочные трансформаторы и конденсаторы для продольной компенсации.
Совместное регулирование напряжения включает в себя первый и второй спо-собы регулирования.
Дополнительное регулирование напряжения применяется в том случае, когда не удается обеспечить требуемое качество напряжения у некоторой части потреби-телей электроэнергии. К такому виду регулирования напряжения относится регули-рование путем изменения схемы электроснабжения. В схеме электроснабженияосуществляют мероприятия, позволяющие изменить величину и направление реак-тивной мощности и сопротивления отдельных участков, в результате чего изменя-ются уровни напряжения в отдельных точках сети. Этот способ является экономиче-ски затратным и должен быть подвергнут тщательному расчету. Одновременно дан-ный способ наиболее эффективен, особенно если на предприятии происходит посто-янная модернизация оборудования и технологического процесса.
Колебания напряжения электропитания(как правило,продолжительностьюменее 1 мин), в том числе одиночные быстрые изменения напряжения, обусловли-вают возникновение фликера.
Показателями КЭ, относящимися к колебаниям напряжения, являются кратко-временная доза фликера Pst, измеренная в интервале времени 10 мин, и длительная доза фликера Plt, измеренная в интервале времени 2 ч, в точке передачи электриче-ской энергии.
Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:
- кратковременная доза фликера Pst не должна превышать значения 1,38;
- длительная доза фликера Plt не должна превышать значения 1,0 в течение
100 % времени интервала в одну неделю.
При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, относящимся к колебаниям напряжения, установленным в настоящем стандарте, должны быть про-ведены измерения по [5], при этом маркированные данные не учитывают.
Одиночные быстрые изменения напряжения. Одиночные быстрые изменениянапряжения вызываются, в основном, резкими изменениями нагрузки в электро-установках потребителей, переключениями в системе либо неисправностями и ха-рактеризуются быстрым переходом среднеквадратического значения напряжения от одного установившегося значения к другому. Обычно одиночные быстрые измене-ния напряжения не превышают 5 % в электрических сетях низкого напряжения и 4
% - в электрических сетях среднего напряжения, но иногда изменения напряжения с малой продолжительностью до 10 % Unom и до 6 % Uc, соответственно, могут проис-
ходить несколько раз в день. Если напряжение во время изменения пересекает поро-говое значение начала провала напряжения или перенапряжения, одиночное быст-рое изменение напряжения классифицируют как провал напряжения или перена-пряжение.
Причинами колебаний напряжений могут быть несколько факторов. При ра-боте электроприемников с резкопеременной ударной нагрузкой в электросети воз-никают резкие толчки потребляемой мощности. Это вызывает изменения напряже-ния сети, размахи которых могут достигнуть больших значений. Эти явления имеют место при работе электродвигателей прокатных станов, дуговых электропечей, сва-рочных машин и т.д. Указанные обстоятельства крайне неблагоприятно отражаются на работе всех электроприемников, подключенных к данной сети, в том числе и электроприемников, вызывающих эти изменения. Так, например, время сварки у контактных машин находится в пределах от 0,02 до 0,4 с, то колебания напряжения даже такой малой длительности сказываются на качестве сварки.
Существенным источником колебаний напряжения являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП).
При колебаниях напряжения, в результате которых напряжение снижается бо-лее чем на 15 % ниже номинального, возможно отключение магнитных пускателей, работающих электродвигателей. На предприятиях с существенной синхронной
нагрузкой колебания напряжения могут приводить к выпадению привода из синхро-низма и расстройству технологического процесса. Колебания напряжения отрица-тельно сказываются на работе осветительных приемников. Они приводят к мигани-ям ламп, которые при превышении порога раздражительности могут отрицательно отражаться на длительном восприятии людей.
В первую очередь, предусматриваются оптимальные решения схемы электро-снабжения с минимальными дополнительными затратами, к числу которых относятся:
– приближение источников высшего напряжения к электроприемникам с резкопеременной нагрузкой;
– питание резкопеременных и спокойных нагрузок от отдельных трансформаторов;
– соблюдение оптимального уровня мощности к.з. в сетях, питающих элек-
троприемники с резкопеременной нагрузкой, в пределах от 750 МВА до 10000 МВА.
Если эти мероприятия оказываются недостаточными, то предусматриваются специальные устройства и установки для уменьшения размахов изменений напряжения.
Специальные быстродействующие синхронные компенсаторы (СК). Наиболееэффективным средством для ограничения колебания напряжения является синхрон-ный компенсатор толчковой нагрузки со специальными параметрами, с быстродей-ствующим тиристорным возбуждением, с большой кратностью форсировки возбуж-дения, работающие в так называемом «режиме слежения» за реактивным током подключенных потребителей электроэнергии.
Синхронные двигатели. Для ограничения размахов изменений напряжения прирезкопеременных толчковых нагрузках используются также синхронные двигатели (СД) со спокойной нагрузкой, присоединяемые к общим шинам с вентильными пре-образователями. При этом СД должны иметь необходимую располагаемую мощ-ность, быстродействующее возбуждение (тиристорное) с высоким потолком форси-ровки и быстродействующий автоматический регулятор возбуждения.
Статические источники реактивной мощности (ИРМ). Статические ИРМхарактеризуются высоким быстродействием, плавным изменением реактивной мощности, безинерционностью. Более подробно вышеперечисленные устройства рассмотрены в разделе 6 настоящего пособия.
Несинусоидальность напряжения. Гармонические составляющие напряже-ния. Гармонические составляющие напряжения обусловлены,как правило,нелиней-ными нагрузками пользователей электрических сетей, подключаемыми к электриче-ским сетям различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электри-ческих сетях, создают падения напряжений на полных сопротивлениях электриче-ских сетей. Гармонические токи, полные сопротивления электрических сетей и, сле-довательно, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электри-ческой энергии изменяются во времени. Показателями КЭ, относящимися к гармо-ническим составляющим напряжения, являются:
- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка KU (n) в процентах напряжения основной гармонической составляющей U1
в точке передачи электрической энергии;
- значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряже-
ния (отношения среднеквадратического значения суммы всех гармонических со-ставляющих до 40-го порядка к среднеквадратическому значению основной состав-ляющей) KU, % в точке передачи электрической энергии.
Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:
- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU (n),
усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, уста-новленных в таблицах 1-3 [4], в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU (n),
усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, уста-новленных в таблицах 1-3 [4], увеличенных в 1,5 раза, в течение 100 % времени каждого периода в одну неделю;
- значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напря-жения KU, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значе-ний, установленных в таблице 4 [4], в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
- значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напря-жения KU, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значе-ний, установленных в таблице 5, в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Измерения напряжения гармонических составляющих Un должны быть прове-дены в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.7-2013, класс I, в интервалах времени 10 периодов без промежутков между интервалами с последующим усред-нением в интервале времени 10 мин. В качестве результатов измерений в интервалах времени 10 периодов должны быть применены гармонические подгруппы по ГОСТ 30804.4.7-2013, подраздел 3.2. В качестве суммарных коэффициентов гармониче-ских составляющих напряжения KU должны быть применены суммарные коэффици-енты гармонических подгрупп по ГОСТ 30804.4.7-2013, подраздел 3.3.
При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, относящимся к гармоническим составляющим напряжения, установленным в настоящем стандарте, маркированные данные не учитывают.
Интергармонические составляющие напряжения. Уровень интергармониче-ских составляющих напряжения электропитания увеличивается в связи с примене-нием в электроустановках частотных преобразователей и другого управляющего оборудования. Допустимые уровни интергармонических составляющих напряжения электропитания находятся на рассмотрении.
На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольтамперные характеристики которых нелинейны. K их числу относятся тиристорные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы и др. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусои-дальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы.
Вентильные преобразователи. Полупроводниковые преобразовательныеустройства находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии предприятиях химической промышленности. На промышленных предприятиях наибольшее применение получили трехфазные мостовые схемы. Основной причиной появления высших гармоник является асимметрия импульсов управления, свойственная всем системам управления.
Дуговые сталеплавильные электропечи. Нелинейность вольтамперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник.
Основными причинами появления высших гармоник являются непрерывное изменение условий горения дуг печи и неполное выравнивание сопротивлений короткой сети.
Установки электродуговой и контактной сварки. Установки контактнойэлектросварки включаются в сеть с помощью тиристорных ключей. Для плавного регулирования сварочного тока вентильные устройства снабжаются системами фа-зового регулирования. Применение фазового регулирования приводит к искажению формы тока, потребляемого сварочными машинами.
Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий нежелательны по ряду причин: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помо-щью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.
Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизме-рительных приборов и вызывают дополнительные потери мощности.
Существуют способы уменьшения несинусоидальности напряжения в элек-трических сетях.
Увеличение числа фаз выпрямления. С увеличением числа фаз выпрямленияформа первичного тока преобразователя приближается к току выпрямителя и, сле-довательно, напряжение сети, уменьшается. Применение многофазного эквивалент-
ного режима работы преобразователей уменьшает влияние на сеть переменного тока.
Снижение уровней гармоник средствами питающей сети достигается, в основ-ном рациональным построением схемы электроснабжения, а именно:
- применением трансформаторов преобразователей с повышенным напряжением 110–220 кВ;
- питанием нелинейных нагрузок от отдельных трансформаторов;
- подключением параллельно нелинейным нагрузкам синхронных и асинхронных двигателей;
- применением фильтров высших гармоник.
Несимметрия трехфазной системы напряжений обусловлена несимметрич-ной нагрузкой потребителя электрической энергии или несимметрией элементов электрической сети. Показателями КЭ, относящимися к несимметрии напряжений в трехфазных системах, являются коэффициент несимметрии напряжений по обрат-ной последовательности K2U и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U. Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:
- значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последова-тельности K2U и несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
- значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последова-тельности K2U и несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю. При оценке соответствия электрической энергии нормам КЭ, относящимся к несиммет-рии напряжений, установленным в настоящем стандарте, должны быть проведены измерения по ГОСТ [5], подраздел 5.7, класс А, при этом маркированные данные не учитывают.
Допустимые уровни напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям, и методы оценки соответствия требованиям находятся на рассмотрении.
Провал напряжения –это внезапное понижение напряжения в точке электри-ческой сети ниже 0,9* U ном, за которым следует восстановление напряжения до пер-воначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд.
Провал напряжения характеризуется показателем – длительностью провала напряжения Δtп, а также глубиной ΔU n и частотой появления провалов напряжения (рисунок 2.1).
Длительность провала напряжения – это интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до перво-начального или близкого к нему уровня.
Глубина провала напряжения равна разности между номинальным значением напряжения и минимальным среднеквадратическим значением напряжения в тече-ние провала напряжения.
Частота появления провалов напряжения это количество провалов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени.
Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точ-ке присоединения к электрическим сетям, согласно ГОСТ 13109-97, напряжением до 110 кВ включительно не должна превышать предельно допускаемого значения, рав-ного 30 с.
Рисунок 2.1 – Показатели провала напряжения
Состав совокупности провалов может представляться интенсивностью провалов определенного характера M:
где m (dU п, Δtn) – число провалов с заданной относительной глубиной dU n и длительностью D tn;
m -общее число провалов за заданный интервал времени.
Основными причинами возникновения провалов напряжения являются корот-кие замыкания в сети, приводящие к отключению элементов сети, которые затем могут снова автоматически включиться. Напряжение восстанавливается либо после отключения токов короткого замыкания, либо после автоматического восстановле-ния питания устройствами АПВ или АВР.
Импульс напряжения -это резкое изменение напряжения в точке электриче-ской сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.
Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения (Uимп), а также амплитудой (D Uимп), длительностью импульса (D tимп) и длительно-стью импульса на уровне 0,5 его амплитуды Δtимп 0,5 (рисунок 2.2).
Импульсное напряжение — это максимальное мгновенное значение напряже-ния, равное сумме мгновенного значения напряжения в сети в момент начала им-пульса и амплитуды импульса. Амплитуда импульса это максимальное мгновенное значение импульса напряжения.
Длительность импульса равна интервалу времени между начальным моментом импульса и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до перво-начального или близкого к нему уровня.
Длительность импульса на уровне 0,5 его амплитуды равна интервалу времени между пересечением кривой импульса с горизонтальным уровнем на половине ам-плитуды.
Рисунок 2.2 – Определение импульса напряжения
Согласно ГОСТ [4] импульсные напряжения в точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети вызываются, в основном, молниевыми разрядами или процессами коммутации в электрической сети или электроустановке потребителя электрической энергии. Время нарастания импульсных напряжений может изменяться в широких пределах (от значений менее 1 микросекунды до не-скольких миллисекунд). Импульсные напряжения, вызванные молниевыми разряда-ми, в основном, имеют большие амплитуды, но меньшие значения энергии, чем им-пульсные напряжения, вызванные коммутационными процессами, характеризую-щимися, как правило, большей длительностью. Значения импульсных напряжений в электрических сетях низкого, среднего и высокого напряжений приведены в прило-жении Б [2].
Импульсы напряжения возникают чаще всего в результате коммутационных переходных процессов в электрической сети, а также вследствие работы цепей им-пульсного управления полупроводниковых преобразователей. Импульсы напряже-ния приводят к нарушению работы радиоэлектронных устройств, в том числе ЭВМ и полупроводниковых устройств с импульсным управлением.
Значения импульсных напряжений для грозовых и коммутационных импуль-сов, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации, приведе-ны в приложении Б в ГОСТ 32144-2013 [4, Приложение Б].
Временное перенапряжение –это повышение напряжения в точке электриче-ской сети продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснаб-жения при коммутациях или коротких замыканиях.
Коэффициент временного перенапряжения (U перU) равен отношению макси-мального значения огибающей амплитудных значений U ампмах за время существо-вания временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети U ампном. Измерение коэффициента временного перенапряжения производится в от-носительных единицах по формуле:
Длительность кратковременного перенапряжения (D tпер) определяется интер-
валом времени между начальным моментом возникновения кратковременного пере-напряжения и моментом его исчезновения.
Согласно ГОСТ 32144-2013 [2] перенапряжения измеряют в соответствии с ГОСТ 30804.4.30-2013 [5, подраздел 5.4] на основе измерений среднеквадратиче-ских значений напряжения, обновляемых для каждого полупериода. Пороговое зна-чение начала перенапряжения принимают равным 110 % опорного напряжения. В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 перенапряжений. При об-рыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью, возникают временные перенапряже-ния между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений линейного напряжения, а длительность - нескольких часов. В системах низкого напряжения, при определен-ных обстоятельствах, неисправность, произошедшая электрически выше трансфор-матора, может породить временные перенапряжения на стороне низкого напряже-ния на время, в течение которого протекает ток, вызванный неисправностью. Такие перенапряжения в общем случае не превышают 1,5 кВ. Для систем среднего напря-жения ожидаемая величина такого перенапряжения зависит от типа заземления в системе. В системах с жестко заземленной нейтралью или с заземлением нейтрали через сопротивление пере-напряжение обычно не превышает 1,7 Uc. В системах с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через реактор перенапряже-ние обычно не превышает 2,0 Uc. Тип заземления указывается оператором сети.
