Показатели качества электроэнергии

СВЯЗЬ МЕЖДУ КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И РАБОТОЙ СЕТЕЙ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Нормативы ГОСТ на допустимые отклонения параметров электроэнергии от номинальных значений – результат технического компромисса. При разработке таких нормативов принято максимально учитывать интересы покупателя электроэнергии с одной стороны и её продавца – с другой.

Каждое несоответствие номиналу может быть рассмотрено прежде всего с позиций потребителя электроэнергии.

К поддержанию частоты в электрических системах в оговоренных стандартом допусках стремятся по той причине, что следствием больших отклонений может явиться выход из строя оборудования станций, нарушение технологического процесса и брак выпускаемой продукции.

Покажем, как влияет отклонение частоты её номинала на наиболее распространённый вид электропривода с асинхронным электродвигателем.

Уравнение электрического равновесия статорной обмотки имеет вид

.

При f < f_H наблюдается увеличение потока Ф_m, что вызывает рост намагничивающего тока и, следовательно, снижение КПД электродвигателя.

При f > f_H поток Ф_m уменьшается, но при неизменном моменте сопротивления (нагрузке) на валу двигателя необходимо компенсировать уменьшение потока пропорциональным ростом тока ротора, так как , а это будет сопровождаться увеличением электрических потерь в обмотке ротора и, следовательно, снижением КПД электродвигателя.

Потери мощности в сети и в электрооборудовании изменяются в зависимости от значения напряжения. Например, нагрузочные потери, т.е. потери в продольной части схем замещения линий и трансформаторов, пропорциональны квадрату тока и обратно пропорциональны квадрату напряжения. Потери холостого хода пропорциональны квадрату напряжения. Из сказанного следует, что изменение напряжения сопровождается изменением потерь мощности и электроэнергии.

Искажение синусоидальности токов и напряжений – приводит к дополнительным потерям мощности в линиях, трансформаторах, вращающихся машинах и батареях конденсаторов.

В частности, несинусоидальность и связанное с ней появление в частотном спектре напряжений высших гармонических составляющих вызывает возникновение тормозных моментов, приводящих к снижению КПД электродвигателей. Кроме того, появление высших гармонических в составе напряжений сопровождается протеканием по ферромагнитным участкам электропотребителей магнитных потоков повышенной частоты, что всегда сопровождается ростом удельных магнитных потерь. Известно, что ρ_уд ~ f^β, где β = 1,3…1,5.

Сроки службы электрооборудования сокращаются в основном в связи с превышением температуры изоляции над допустимыми значениями. Особенно заметно сокращает срок службы ламп накаливания положительное отклонение напряжения. Высшие гармоники в батареях конденсаторов могут вызвать необратимые изменения, если их частоты будут обеспечивать явления резонанса.

Технологический ущерб – определяется видом технологического процесса и выпускаемой продукции. Обычно технологический ущерб проявляется в снижении количества или качества продукции, в браке продукции и, наконец, в срыве технологических процессов. Для оценки снижения количества и качества продукции используют экономические характеристики, позволяющие связать уровень подводимого напряжения электрической сети с общей стоимостью продукции. Чрезвычайная сложность такого рода зависимостей не позволяет выполнить сколько–нибудь правдоподобный расчёт. На помощь здесь приходит экспериментальный подход, при котором можно получить достоверные зависимости для каждого вида предприятий. Некоторые технологические процессы, например, выращивание кристаллов в особых условиях, стекольное производство весьма чувствительны к качеству напряжения.

Нарушение технологических процессов происходит, в частности, из-за ложных срабатываний устройств автоматики, причиной которых является повышенная чувствительность электронных устройств к качеству электроэнергии.

Основным показателем качества электроэнергии, определяющим технологический ущерб и потери электроэнергии в городских и промышленных сетях, является отклонение напряжения. Нестабильность напряжения в городских сетях приводит к массовому использованию стабилизаторов напряжения.

Иерархия влияния показателей качества электроэнергии на потери мощности и срок службы оборудования выглядит так:

- отклонение напряжения и частоты;

- несимметрия напряжения и тока;

- несинусоидальность кривых напряжения и токов;

- размах изменения напряжения.

Иерархия влияния на технологические процессы выглядит в последовательности 3 ® 4 ® 2 ® 1.

Все эти выводы, естественно, не так очевидны, поскольку, во-первых, сами зависимости указанных явлений от отдельно взятого показателя качества энергии сложны сами по себе, во-вторых, зачастую просто невозможно провести масштабное исследование для отдельно взятого ПКЭ.

ТРАНСФОРМАТОРЫ БЕЗ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ (ПБВ)

В настоящее время выпускаются с четырьмя дополнительными ответвлениями обмотки ВН. Схема такого трансформатора представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема обмоток трансформатора с ПБВ

Основное ответвление обмотки ВН такого трансформатора (ответвление “0”) соответствует номинальному напряжению первичной обмотки трансформатора U_В,ном. Для понижающих трансформаторов U_В,ном равно номинальному напряжению сети U_ном,с, к которой присоединяется данный трансформатор (6, 10, 20 кВ).

При основном ответвлении трансформатора коэффициент трансформации трансформатора называют номинальным. При использовании четырёх дополнительных ответвлений коэффициент трансформации отличается от номинального на +5; +2,5; -2,5 и –5%. Следует отметить, что ответвление, например, “+5” на рис. 6.1 соответствует меньшему, а ответвление “-5” – большему коэффициенту трансформации в сравнении с номинальным коэффициентом трансформации, поскольку коэффициент трансформации определяется соотношением

,

где отношение W_В/W_Н допустимо использовать при одинаковых схемах соединений обмоток высшего и низшего напряжений.

Вторичная обмотка трансформатора является центром питания сети, подключенной к этой обмотке. Поэтому номинальное напряжение этой обмотки выше номинального напряжения сети: на 5% - для трансформаторов небольшой мощности; на 10% - для остальных трансформаторов.

Пусть к первичной обмотке при использовании основного ответвления подведено напряжение, равное U_ном,с, и на стороне НН при холостом ходе напряжение равно 1,05 U_ном,с. При этом добавка напряжения равна 5%. Изменяя ответвления, к которым подключается первичное напряжение, можно получить с помощью ПБВ добавки напряжения следующих округлённых значений:

Ответвление первичной обмотки, %	- 5	- 2,5		+ 2,5	+ 5
Напряжение на стороне НН при холостом ходе (Uт/Uном,С)		1,025	1,05	1,075	1,1
Добавки напряжения, %		+ 2,5	+ 5	+7,5	+10

Чтобы переключить регулировочное ответвление в ПБВ, требуется отключение трансформатора от сети. Такие переключения производятся редко, при сезонном изменении нагрузок. При изменяющихся в течение суток нагрузках трансформатор с ПБВ работает при одном и том же регулировочном ответвлении. При этом требование встречного регулирования оказывается неосуществимым, поскольку нельзя выполнить условия и .

Действительно, в соответствии с принципом встречного регулирования:

; .

Обычно , поэтому , что противоречит требованиям встречного регулирования.

Встречное регулирование можно обеспечить, только изменяя U_отв и, следовательно, коэффициент трансформации в течение суток, т.е. переходя от режима наибольших нагрузок к режиму наименьших.

ПОД НАГРУЗКОЙ (РПН)

Отличаются от трансформаторов с ПБВ специальным переключающим устройством, а также увеличенным числом ступеней регулирования и диапазоном регулирования. Например, для трансформаторов с номинальным напряжением основного ответвления 115 кВ на обмотке ВН предусматривается диапазон регулирования ± 16 % при 18 ступенях регулирования по 1,78 % каждая.

На рис. 6.2,а и б представлены: условное изображение трансформатора с РПН и схема его обмоток.

Рис. 6.2. Трансформатор с РПН: а) условное обозначение; б) схема обмоток;

в) и г) переключение ответвлений

Обмотка ВН этого трансформатора состоит из двух частей: нерегулируемой “а” и регулируемой “б”. На регулируемой части имеется ряд ответвлений 1, 2, 3, 4, выведенных на неподвижные контакты. Ответвления 1, 2 соответствуют части витков, включённых согласно с витками основной обмотки, что подтверждается на рис.6.2 направлением стрелок, изображающих ток в этих витках. При включении ответвлений 1, 2 коэффициент трансформации трансформатора увеличивается. Ответвления 3, 4 соответствуют части витков, соединённых встречно по отношению к виткам основной обмотки. Их подключение к основной обмотке компенсирует действия такого же числа витков основной обмотки, что соответствует снижению коэффициента трансформации трансформатора.

На регулируемой части обмотки имеется переключающее устройство, состоящее из подвижных контактов “ в”, “г”, контактов К1 и К2 и реактора Р. В нормальном режиме эксплуатации контакты “в” и “г” замкнуты между собой, а ток через каждую половину обмотки реактора Р составляет примерно по тока обмотки ВН трансформатора. При таком режиме магнитный поток в сердечнике (если реактор имеет ферромагнитный сердечник) или просто магнитный поток, сцеплённый с обмотками реактора, пренебрежимо мал, а, следовательно, невелико индуктивное сопротивление реактора, включённое последовательно с обмоткой ВН.

Допустим, что требуется переключить, устройство с ответвления 2 на ответвление 1. При этом отключают контактор К1 (рис. 6.2,в), переводят подвижный контакт “в” на контакт 1 и вновь включают контактор К1. В результате секция 1, 2 оказывается замкнутой на обмотку реактора Р. Теперь напряжение на секции 1, 2 приложено к цепи, основное сопротивление которой определяется индуктивным сопротивлением реактора Р. Это напряжение вызывает уравнительный ток, имеющий одинаковое (не встречное) направление в обеих половинах обмотки реактора (рис. 6.2,г) и потому взаимной компенсации индуктивных сопротивлений обеих половин обмотки реактора не наблюдается. Напротив, значительная индуктивность реактора ограничивает уравнительный ток. После этого отключают контактор К2, переводят контакт “г” на контакт 1 и включают контактор К2.

С помощью РПН можно менять ответвления и коэффициент трансформации под нагрузкой в течение суток, обеспечивая выполнение требований встречного регулирования.

СОПРОТИВЛЕНИЯ СЕТИ

Напряжение у потребителя зависит от потерь напряжения в сети, которые, в свою очередь, определяются, в том числе и сопротивлением сетей. Например, продольная составляющая падения напряжения в линии на рис. 6.3,а равна

, (6.1)

где , , U₂ – потоки мощности и напряжения в конце линии;

r₁₂, x₁₂ – активное и реактивное сопротивления линии.

В распределительных сетях активное сопротивление больше реактивного, т.е. r₀ > x₀. В (6.1) для этих сетей основную роль играет первое слагаемое числителя.

Как известно, принятое в курсе “ Электрические сети и системы” деление сетей по выполняемым функциям предполагает три категории:

1) системообразующие;

2) питающие;

3) распределительные.

Питающие сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети к центрам питания (ЦП) распределительных сетей – районным подстанциям.

Распределительные сети предназначены для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин НН районных подстанций к промышленным, городским и сельским потребителям.

При изменении сечений линий в распределительных сетях существенно изменяются и напряжение потребителя. Поэтому в этих сетях сечение иногда выбирается по допустимой потере напряжения.

В питающих сетях, наоборот, x₀ > r₀, поэтому в значительной степени определяется реактивным сопротивлением линий, которое мало зависит от сечений. Выбирать сечение линий в питающих сетях по допустимой потере напряжения экономически нецелесообразно.

Изменение реактивного сопротивления линии используют для регулирования напряжения. Чтобы уменьшить реактивное сопротивление линии надо последовательно включить конденсатор.

Продольная составляющая падения напряжения в линии до установки конденсаторов определяется выражением (6.2). Предположим, что напряжение в конце линии ниже допустимого:

.

Включим последовательно в линию конденсаторы с таким значением ёмкости (ёмкостного сопротивления), чтобы повысить напряжение до допустимого U_2,доп.

Предыдущее выражение принимает вид

, (6.2)

где х_к - реактивное (емкостное) сопротивление конденсаторов.

Последовательное включение конденсаторов в линию называют продольной компенсацией. Установка продольной компенсации (УПК) даёт возможность компенсировать частично (или полностью) индуктивное сопротивление и в некоторой степени снизить потерю напряжения в линии (рис. 6.4,а).

Векторная диаграмма такого регулирования представлена на рис. 6.4,б, из которого следует

;

.

Величину можно рассматривать как отрицательное падение напряжения или дополнительную ЭДС, вводимую в цепь.

Для практического выбора величины х_к решают (6.2) относительно х_к. При этом ток через конденсатор и напряжение на нём равны

Номинальное напряжение конденсатора должно удовлетворять условию

В противном случае конденсаторы в количестве «n» последовательно включают в каждую фазу, определяя число «n» по соотношению

.

Из указанной в паспорте на конденсатор мощности и номинального напряжения конденсатора находят его номинальный ток

.

Если , то ставят параллельно «m» конденсаторов, выдерживая соотношения

.

При использовании УПК в качестве характеристики вводят отношение ёмкостного сопротивления конденсаторов к индуктивному сопротивлению линии, которое выражают в процентах и называют процентом компенсации или степенью компенсации

.

На практике применяют лишь частичную компенсацию (К_с < 100%) реактивного сопротивления линии.

Полная компенсация (К_с = 100%) и тем более избыточная компенсация в распределительных сетях обычно не применяется, так как это связано с возможностью появления в сети перенапряжений. Наиболее эффективно применение УПК на перегруженных радиальных линиях.

Отметим, что УПК применяют не только для регулирования напряжения, но и для повышения пропускной способности линий.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Качество электроэнергии характеризуется показателями, определяющими степень соответствия напряжения и частоты в сети их нормированным значениям.

Следует отметить, что электроэнергия является товаром, которым в нашей стране распоряжаются естественные монополии. В настоящее время значительная часть вырабатываемой в России электроэнергии производится на предприятиях РАО ЕЭС. Потребитель при общении с естественными монополистами находится в невыгодном положении, поскольку основное преимущество рыночных отношений, а именно свобода выбора, у потребителя отсутствует. В этих условиях в равной степени важными являются как выбор и контроль показателей качества электроэнергии, так и существование стандарта, содержащего полный комплект указанных показателей и однозначные методики определения уровня показателей.

Обычно предполагается, что работа всех электроприёмников (ЭП) наиболее целесообразна с технической и экономической точек зрения при номинальных параметрах (U_ном, f_ном, I_ном). На первых этапах существования электроснабжения проблема обеспечения качества электроэнергии сводилась к поддержанию уровней напряжения и частоты, близких к номинальным. В последние годы появились нетрадиционные электроприёмники (дуговые электроплавильные печи, электрифицированный транспорт, мощные выпрямительные установки и т.п.) с резкопеременными нагрузками либо неравномерностью их распределения по фазам и наличием несинусоидальных токов и напряжений. Эти новые ЭП вызвали нарушения качества электроэнергии.

В настоящее время действует стандарт (ГОСТ 13109), устанавливающий требования к качеству электроэнергии в электрических сетях общего назначения переменного трёхфазного и однофазного токов частотой 50 Гц в точках, к которым подключаются потребители.

Показатели качества электрической энергии (ПКЭ) подразделяют на две группы: основные ПКЭ и дополнительные ПКЭ. Основные ПКЭ определяют свойства электроэнергии, характеризующие её качество.

К основным ПКЭ, для которых установлены допустимые значения, относят

- отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения;

- дозу колебаний напряжения;

- коэффициент несинусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент обратной последовательности напряжений;

- коэффициент υ-ой гармонической составляющей;

- коэффициент нулевой последовательности напряжений;

- отклонение частоты.

Дополнительные ПКЭ представляют собой формы записи основных ПКЭ, используемые в других нормативно-технических документах.

Отклонение частоты имеет одно и то же значение для всей энергосистемы, так как значение частоты в данный момент определяется частотой вращения всех генераторов системы. Эта частота вращения во всех установившихся режимах работы энергосистемы одинакова (естественно, речь идёт о параллельной работе генераторов с одинаковым числом полюсов 2р). Следовательно, отклонение частоты – общесистемный показатель.

Напряжения в различных точках сети имеют разные значения. Поэтому показатели напряжения – локальные, т.е. имеют разные значения в различных точках электрической сети.

В практике эксплуатации электрических сетей напряжения всегда отклоняются от номинальных. Это отличие характеризуют ряд ПКЭ: отклонение напряжения, размах изменения напряжения, доза колебания напряжения и др.

Отклонение напряжения –это разность между действительным напряжением U и его номинальным значением для сети U_ном.

Отклонение может быть выражено в абсолютных единицах

V=U - U_ном,

либо в относительных единицах

.

Размах изменения напряжения – это разность между амплитудными или действующими значениями напряжения до и после одиночного изменения напряжения.

Размах изменения напряжения оценивается в процентах и рассчитывается по формуле

,

где U_i; U_i+1 – значения следующих друг за другом экстремумов (или экстремума и горизонтального участка) огибающих амплитудных значений напряжения. Если друг за другом следуют наибольшее и наименьшее значения U_max и U_min, то размах изменения напряжения, %, равен

.

Нормы на допустимые размахи напряжения определены только на входах осветительных установок. Для остальных ПЭ размахи изменения напряжения не нормируются.

Коэффициент обратной последовательности напряжений – это показатель качества, определяющий несимметрию напряжений, %

,

где U₂₍₁₎ – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений.

Предположительно анализ выполняется через осциллографирование формы напряжения с последующим исследованием полученной осциллограммы по методу симметричных составляющих.

Допустимые значения ПКЭ нормируются следующим образом:

ПКЭ	Нормальное	Максимальное
Отклонение напряжения в электрической сети
до 1 кВ	± 5	± 10
6 – 20 кВ	-	± 10
35 кВ и выше	-	-
Коэффициент несинусоидальности, %, не более в электрической сети напряжением
до 1 кВ
6 – 20 кВ
35 кВ
110 кВ и выше
Коэффициент гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка, %, не более в электрической сети напряжением
до 1 кВ	-	6 (3)
6 – 20 кВ	-	5 (2,5)
35 кВ	-	4 (2)
110 кВ и выше	-	2 (1)
Коэффициент обратной последовательности напряжений, %, не более
Коэффициент нулевой последовательности напряжений, %, не более
Отклонение частоты, Гц	± 0,2	± 0,4

Коэффициент нулевой последовательности напряжений –определяется аналогично расчету K_2U по выражению

.

Коэффициент несинусоидальности кривой напряжений – определяется выражением

,

где U_υ – действующее значение υ-ой гармонической составляющей;

υ – порядок гармонической составляющей напряжения;

N – порядок последней из учитываемых составляющих.

При определении К_нс,U допускается не учитывать гармонические составляющие порядка n ³ 40 и (или) составляющие, значения которых меньше 0,3% от U_ном.