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.