Цены на электроэнергию, центов/кВт час

Страна	Для населения	Для промышленности
Дания
Португалия
Швейцария
Нидерланды
Великобритания
Греция
Финляндия
Швеция
Турция
США
Венгрия
Польша
Чехия
Россия

Отраслевые особенности энерго- и электроснабжения промышленных предприятий более подробно изложены в работах [12].

Электрическая энергия обладает совокупностью определенных свойств. Как и любой продукт, электроэнергия обладает качеством (КЭ), которое определяется совокупностью ее характеристик, при которых электропотребители выполняют свои заявленные функции. Нарушения работы электропотребителей в результате ненадлежащего качества электроэнергии могут иметь широкий диапазон последствий: от выхода из строя сложной современной бытовой техники до отказов в работе систем управления технологическими процессами, нарушения которых приводит к возникновению опасности для жизни и здоровья людей (например, вентиляционные установки шахт, доменных печей и т.д.), к значительным экономическим ущербам в масштабах страны. В табл. I.12 приведено сопоставление показателей качества электроэнергии (ПКЭ) по ГОСТ Р 5333-2008 и стандартов МЭК.

Т а б л и ц а I.12

Сравнительный перечень ПКЭ

Показатели КЭ (ГОСТ 13109-97)	Показатели КЭ стандарта МЭК
- установившееся отклонение напряжения	- частота в системе электроснабжения
- размах изменения напряжения	- значение и положительное и отрицательное отклонения напряжения электропитания
- доза фликера	- доза фликера
- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения	- провалы и выбросы напряжения электропитания
- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения	- прерывания напряжения
- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности	- переходные процессы напряжения
- коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности	- гармоник и интергармоники напряжения и тока
- отклонение частоты	- несимметрия напряжения
- длительность провала напряжения	- сигналы, передаваемые по электрическим сетям
- импульсное напряжение	- резкие изменения напряжения
- коэффициент временного перенапряжения	–

В связи с необходимостью повышения КЭ иногда приходится менять схемы электроснабжения потребителей, в частности в сетях АК «АЛРОСА» [16].

Широкое применение вентильных преобразователей обусловлено высокими технико-экономическими показателями и эксплуатационными достоинствами, соответствующими современным требованиям технологических процессов и поэтому становятся главным средством управляемого преобразования электрической энергии в механическую.

Среди неблагоприятных особенностей вентильных преобразователей, применяемых, в частности, в регулируемых электроприводах (ЭП), ухудшающих их электромагнитную совместимость с примыкающими сетями электроснабжения, наиболее существенными являются потребление реактивной мощности на основной частоте и искажение формы напряжения, сопровождающееся генерированием в сеть высших гармоник.

Обе эти особенности обусловлены коммутацией вентилей, но имеют разный механизм происхождения [14].

Потребление преобразователями реактивной мощности на частоте основной гармоники напряжения происходит из-за того, что коммутация тиристоров приводит к отставанию первой гармоники тока от коммутирующих электродвижущих сил, а искажение формы напряжения – из-за того, что эти же коммутации приводят к появлению высших гармоники в кривой тока.

Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; возрастает аварийность в кабельных сетях; ухудшается качество работы, а иногда появляются сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

При работе асинхронных двигателей в условиях несинусоидальности напряжения снижается их коэффициент мощности и вращающий момент на валу. Так, если амплитуды 5^й и 7^й гармоник составляют соответственно ~ 20 % и 15 % амплитуды основной гармоники, то коэффициент мощности двигателя уменьшается в среднем на 2,6 % в сравнении с его значением при синусоидальном напряжении. Моменты, развиваемые высшими гармониками, незначительны, однако во избежание недопустимого превышения температуры изоляции асинхронных двигателей при наличии дополнительных потерь от высших гармоник необходимо уменьшать нагрузку на валу.

Добавочные потери мощности, обусловленные высшими гармониками, возникают в обмотках, а также в стали статора и ротора асинхронных двигателей.

В тоже время искажения формы напряжения заметно сказываются на возникновении и протекании ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Нейтрализация зарядов связана с рассеянием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на диэлектрик. В результате в изоляции возникают местные дефекты, что приводит к снижению ее электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете к сокращению срока службы.

Подробные многолетние исследования показывают, что наличие высших гармоник в сетях электроснабжения промышленных предприятия при «заостренной» форме кривой напряжения по сравнению с синусоидальной приводит к ускоренному тепловому старению изоляции электрических машин и трансформаторов [16].

При несинусоидальном напряжении сети происходит ускоренное старение изоляции силовых кабелей. Для подтверждения этого были сопоставлены результаты замеров токов утечки силовых кабелей, проложенных практически одновременно и работающих в сходных температурных условиях [16]. Часть обследованных кабелей работала при синусоидальном напряжении, другая – при уровне высших гармоник в кривой напряжения в пределах (преобладали 5^я и 7^я гармоники). Токи утечки кабелей при несинусоидальном напряжении через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36 %, а через 3,5 года – на 43 % больше, чем у кабелей при синусоидальном напряжении.

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что в сетях со значительным удельным весом вентильных преобразователей часто возникают однофазные замыкания в кабелях.

При наличии высших гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы подключены к сети с синусоидальной формой напряжения.

Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие старение их, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет и дополнительный нагрев, вызванный протеканием высших гармоник тока. При несинусоидальном напряжении на зажимах батареи конденсаторов в их диэлектрике появляются дополнительные активные потери, обусловленные высшими гармониками.

Обычно в сетях электроснабжения промышленных предприятий подключение батареи конденсаторов возможно по одной из трех схем: батарея конденсаторов подключается непосредственно к шинам подстанций, в цепи конденсаторов устанавливается реактор, защищающий батарею от проникновения высших гармоник, по схеме реактор - батарея, используемой в качестве силового резонансного фильтра высших гармоник, иначе называемого фильтрокомпенсирующим устройством.

Отметим также, что в соответствии с ГОСТ 1282 батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более чем на 30 %. Допустимое повышение напряжения составляет 10 %. Однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок их службы также сокращается. Кроме того, в условиях промпредприятий конденсаторы часто оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из гармоник, что приводит нередко к их быстрому выходу из строя.

Учет электроэнергии индукционными счетчиками при несинусоидальных режимах сопряжен со значительными погрешностями, приводящими к «переучету» или «недоучету» потребляемой электроэнергии. При больших искажениях напряжения и преобладании в спектре 5^й, 7^й, 11^й и 13^й гармоник токов положительные погрешности измерения индуктивными счетчиками энергии, потребляемой тиристорными преобразователями ЭП, могут достигать 3 - 4 %. При этом в наибольшей мере влияние несинусоидальности на погрешности индукционных счетчиков проявляется на частотах 11^й и 13^й гармоник. В тоже время при дополнительные погрешности измерения оказываются пренебрежимо малыми.

Высшие гармоники создают также помехи на системы управления преобразователем, которые приводят к сбоям и последующим их отказам, возможности возникновения гармонической неустойчивости при неправильной работе системы импульнсо-фазового управления, сопровождающейся появлением четных гармоник или третьей гармоники и ей кратных. Важно отметить, что гармоническая неустойчивость может возникнуть, если мощность к.з. сети, к которой подключены преобразователи, соизмерима или близка с их мощностью.

На рис. I.6 приведена принципиальная схема электроснабжения подземного горного предприятия. По этой схеме можно сказать, что высокий уровень гармоник на секциях 6,3 кВ генерируемых преобразователями регулируемых ЭП, негативно влияет не только на работу надземного электрооборудования, но из-за электромагнитной связи между обмотками трансформатора и на работу электрооборудования подземной части.

Рис. I.6. Принципиальная схема электроснабжения подземного горного предприятия

На руднике с помощью анализатора сети были произведены замеры. На рис. I.7 приведены кривые тока и напряжения. Из осциллограмм следует, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения достигает до 12,5 % при предельно допустимом значении на напряжение 6,3 кВ 8 %, а тока 27,3 % (этот показатель в России не нормируется[17]).

По результатам замеров можно сделать вывод о плохой электромагнитной обстановке на предприятии в основном из-за применения вентильных преобразователей различной пульсности. В качестве технических средств направленных на снижения уровня гармоник можно выделить два метода: рациональное проектирование схемы электроснабжения; применение специальных технических средств.

Рис. I.7. Формы кривой напряжения и тока

на вводе подъемной машины

Спектры токов и напряжений, представленные на рис. I.8, свидетельствуют о высоком содержании нечетных гармоник.

Рис. I.8. Спектры токов и напряжений

По результатам замеров можно сделать вывод о плохой электромагнитной обстановке на предприятии в основном из-за применения вентильных преобразователей различной пульсности. В качестве технических средств направленных на снижения уровня гармоник можно выделить два метода: рациональное проектирование схемы электроснабжения; применение специальных технических средств. Снижение уровней гармоник рациональным построением схемы электроснабжения (рис. I.9), при которой обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя, осуществляется путем выделения нелинейных нагрузок на секции шин, питающиеся от отдельных двухобмоточных трансформаторов или отдельных обмоток трехобмоточных трансформаторов связи с энергосистемой; подключения параллельно нелинейным нагрузкам синхронных электродвигателей и компенсаторов, асинхронных электродвигателей и других линейных нагрузок. Очевидно, что этот метод может быть успешно применен в стадии проектирования или при капитальной реконструкции.

Рис. I.9. Принципиальная схема электроснабжения при разделении потребителей

Снижение уровней гармоник рациональным построением схемы электроснабжения (рис. I.9), при которой обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя, осуществляется путем выделения нелинейных нагрузок на секции шин, питающиеся от отдельных двухобмоточных трансформаторов или отдельных обмоток трехобмоточных трансформаторов связи с энергосистемой; подключения параллельно нелинейным нагрузкам синхронных электродвигателей и компенсаторов, асинхронных электродвигателей и других линейных нагрузок. Очевидно, что этот метод может быть успешно применен в стадии проектирования или при капитальной реконструкции.

Метод применения специальных технических средств, прежде всего, предусматривает применение различного рода фильтров и фильтрокомпенсирующих устройств, которые регулируются на определенные гармоники, особенностью работы фильтров является возможность беспрепятственно пропускать к приемникам токи одних частот и задерживать или пропускать, но с большим затуханием, токи других частот.