Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.

Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования, вызывают брак продукции, способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования.

Так, например, колебания амплитуды и в большей мере фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателя, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы.

А при размахах колебаний более 15% могут отключаться магнитные пускатели и реле.

Не менее опасна, вызываемая колебаниями напряжения, пульсация светового потока ламп освещения. Её восприятие человеком — фликер — утомляет, снижает производительность труда и в конечном счёте влияет на здоровье людей.

Доза фликера — мера восприятия человеком пульсаций светового потока. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения δU_t = 29%.

При одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп.

Мероприятия по снижению колебаний напряжения:

1. Применение оборудования с улучшенными характеристиками (снижение DQ).

Применение электродвигателей со сниженным пусковым током и улучшенным cos φ при пуске или применение частотного регулирования электроприводов, а также устройств плавного пуска-останова двигателя.

2. Подключение к мощной системе электроснабжения (увеличение S_кз).

Распространение колебаний напряжения в сторону системы электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Коэффициент затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.

3. Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок на разные трансформаторы или секции сборных шин.

Размах изменения напряжения dU_t на шинах спокойной нагрузки снижается на 50—60%.

Недостатком является возрастание потерь при неполной загрузке трансформаторов.

4. Снижение сопротивления питающего участка сети.

При увеличении сечения проводников линии снижается R, а применение устройств продольной компенсации снижает суммарное X.

Недостаток этого способа в увеличении капитальных затрат, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания при X→0.

Несинусоидальность напряжения.Электроприёмники с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной, рис. 1.5. а протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального. Это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря, — выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы.

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

1. Коэффициентом искажения синусоидальности напряжения;

2. Коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

1. Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач — учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю пробиваются конденсаторы.

Рис. 1.5. Несинусоидальное напряжение

2. В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10% суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10—15%.

3. Возрастает недоучёт электроэнергии вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

4. Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

5. Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающей частоту сети электроснабжения —частоту первой гармоники (f₁= 50 Гц, f₂=100 Гц, f₃=150 Гц…).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

Нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением U_ном определяются ГОСТ 13109-97.

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

,

где K_U(n)норм — нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в табл 1.4.

Таблица 1.4

Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, %

Нормально допустимое значение при Uном , кВ	Предельно допустимое значение при Uном, кВ
0,38	6–20		110–330	0,38	6–20		110–330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2 до 40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

1. Аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения.

2. Применение оборудования с улучшенными характеристиками:

a) «ненасыщающиеся» трансформаторы;

b) преобразователи с высокой пульсностью и т. д.

3. Подключение к мощной системе электроснабжения.

4. Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

5. Снижение сопротивления питающего участка сети.

6. Применение фильтрокомпенсирующих устройств.

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений (рис. 1.6).

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

7. Коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8. Коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Основными причинами появления несоответствий по K_0U могут быть:

1. Несимметрия нагрузок по фазам в электрических сетях 0,22/0,38 кВ;

2. Значительные сопротивления элементов схемы замещения, в том числе — сопротивление нулевой последовательности линий и распределительных трансформаторов 6—10/0,4 кВ.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются:

1. дуговые сталеплавильные печи;

2. тяговые подстанции переменного тока;

3. электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Рис. 1.6. Пример несимметрии напряжения.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

1. возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе;

2. однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения;

3. в электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора;

4. общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы выливается в значительное снижение срока их службы.

Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U = 2—4%, срок службы электрической машины снижается на 10—15%, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое. Поэтому ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям — нормально допустимое 2% и предельно допустимое 4%.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

— Равномерное распределение нагрузки по фазам.

— Применение симметрирующих устройств.

Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.

Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы:

1. Нормально допустимые и предельно допустимые значения отклонения частоты равны 0,2 и 0,4 Гц соответственно.

2. Отклонение фактической частоты переменного напряжения (f_ф) от номинального значения (f_ном) в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Для устранения этих явлений необходимо ремонтировать или модернизировать существующие и строить новые электростанции. А пока их нет, активно применяется радикальная мера — автоматическая частотная разгрузка (АЧР), то есть отключение части потребителей при снижении частоты.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения. Это ситуация аварийная и действие ГОСТ 13109-97 на неё не распространяется, а в установившемся режиме работы сети такое событие весьма редкое.

Причинами несоответствий по отклонению частоты f могут быть:

1. Отсутствие достаточного резерва мощности и пропускной способности элементов сети;

2. Ошибки в планировании диспетчерских графиков спроса и предложения в активной мощности, подборе электростанций для размещения первичного резерва, в том числе необходимого при аварийных нарушениях баланса мощности, планировании дополнительных резервов пропускной способности линий для выдачи первичного резерва при внезапных нарушениях баланса;

3. Несвоевременность предоставления резерва мощности для его использования в режимах первичного, вторичного или третичного регулирования в соответствии с заданными системным оператором требованиями.

Провал напряжения — внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% U_ном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения.

Провал напряжения характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма:

предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики.

Причинами провалов напряжения является срабатывание средств защиты и автоматики при отключении грозовых перенапряжений, токов короткого замыкания (КЗ), а также при ложных срабатываниях защит или в результате ошибочных действий оперативного персонала.

ГОСТ 13109-97 не нормирует провал напряжения, он ограничивает его продолжительность 30 секундами.

Импульс напряжения — резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд (рис. 1.7).

Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения.

Рис. 1.7. Импульс перенапряжения.

Значения импульсных напряжений для грозовых и коммутационных импульсов, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации, определены для каждого класса напряжений и приведены в ГОСТ 13109-97 прил. Д.

Импульсные перенапряжения возникают при грозовых явлениях и при коммутациях оборудования (трансформаторы, двигатели, конденсаторы, кабели), в том числе при отключении токов КЗ.

Величина импульса перенапряжения зависит от многих условий, но всегда значительна и может достигать многих сотен тысяч вольт.

ГОСТ 13109-97 приводит справочные значения импульсного перенапряжения при коммутациях для разных типов сетей.

Временное перенапряжение — внезапное и значительное повышение напряжения (более 110% U_ном) длительностью более 10 миллисекунд (рис. 1.7).

Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения.

Значения коэффициентов временных перенапряжений, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации, приведены в ГОСТ 13109-97 прил. Д.

Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и коротких замыканиях на землю (длительные).

Коммутационные перенапряжения возникают при разгрузке протяжённых линий электропередач высокого напряжения.

Длительные перенапряжения возникают в сетях с компенсированной нейтралью и четырёхпроводных сетях при обрыве нейтрального провода, а также в сетях с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю (в сетях 6—10—35 кВ в таком режиме допускается длительная работа).

В этих случаях напряжение неповреждённых фаз относительно земли (фазное напряжение) может вырасти до величины междуфазного (линейного) напряжения.

Классификация потребителей

Потребителями электроэнергии являются промышленные предприятия, электротранспорт, бытовые потребители и сфера обслуживания, собственные нужды электростанций.

Потребителей электроэнергии можно классифицировать по напряжению, потребляемой мощности, графику потребления электроэнергии, надежности электроснабжения.

По надежности электроснабжения все потребители подразделяются на три категории электроприёмников.

Электроприёмники I категории — элёктроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологическогопроцесса, нарушения функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава электроприёмников I категории выделяется особая группа электроприёмников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего оборудования.

Электроприёмники I категории должны обеспечиваться питанием от двух независимых источников питания, перерыв допускается лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприёмников I категории предусматривается дополнительное питание от третьего независимого источника питания.

Независимыми источниками питания могут быть местные электростанции, электростанции энергосистем, специальные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. п.

Электроприёмники II категории — электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Эти электроприёмники рекомендуется обеспечивать питанием от двух независимых источников, взаимно резервирующих друг друга, для них допустимы перерывы на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Допускается питание электроприемников II категории по одной воздушной линии, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более 1 суток.

Допускается питание по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединённых к одному общему аппарату.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены поврежденного трансформатора за время не более 1 суток допускается питание от одного трансформатора.

Электроприёмники III категории — все остальные электроприёмники, не подходящие под определения I и II категорий.

Для этих электроприемников электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта и замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.