Анализ показателей качества электрической энергии

       Введение.

       Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств  и непосредственно участвует  в создании других видов продукции, влияя на их качество. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при  определенных параметрах электрической  энергии: номинальных частоте, напряжении и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической  энергии (КЭ). Таким образом, КЭ определяется совокупностью характеристик электрической  энергии, при которых ЭП могут  нормально работать и выполнять  заложенные в них функции. Важность проблемы повышения КЭ нарастала  вместе с развитием и широким  внедрением на производстве вентильных преобразователей и различных высокоэффективных  технологических установок, таких  как дуговые сталеплавильные  печи, сварочные установки и др.

       Анализ  нарушений электроснабжения, произошедших на предприятиях и приведших к  остановкам основных производств, показал, что основными причинами нарушений  являются кратковременные посадки  и провалы напряжений в энергосистемах РАО ЕЭС (т. е. имеет место резкое снижение показателей надежности энергосистем АО-Энерго). Причем ситуация с РАО  ЕЭС не изменится в лучшую сторону.

       Основой для экономического роста и улучшения  индустриальных уровней производительности предприятий является качество электрической  энергии (КЭЭ). В индустриальной экономике  качество электрической энергии  было измерено числом прерываний электрической  энергии, и 30–40 лет назад это было 2–3 раза в год. В новой цифровой экономике это определение не соответствует современному оборудованию и чувствительным процессам.

       Работа  низковольтных электродвигателей  приводов маслонасосов, вентиляторов и аналогичных механизмов, включенных в технологические защиты техпроцессов, микропроцессорной техники, систем телекоммуникаций, АСУ производственным процессом, дорогостоящего медицинского оборудования, стандартных блоков новых цифровых технологий и Интернета часто прерывается короткими по продолжительности (за миллисекунды) провалами и перегрузками питающего напряжения, которые происходят 20–30 раз в год и ведут к дорогостоящему экономическому ущербу.

       Во  второй половине 1990-х годов в США  и Канаде после оценки надвигающихся  последствий от провалов напряжений были проведены общенациональные энергетические обследования большого числа промышленных предприятий, результаты которых использовали для разработки новых концепций  защиты промышленного электрооборудования  от нарушений электроснабжения. Стоимость  ущерба от плохого качества электрической  энергии в американской экономике  оценивают более чем в 150 миллиардов долларов в год.

       Существующий  рынок решений по улучшению качества электрической энергии сосредоточен на старой системе взглядов и норм проектирования по защите предприятий  от 2–3 отключений электроэнергии в  год, хотя в разных регионах в настоящее  время их происходит до 10–40.

       Проблема, связанная с воздействием кратковременных  нарушений электроснабжения (КНЭ) на работу потребителей электрической  энергии, становится все более острой по мере усложнения технологических  процессов предприятий и использования  средств автоматизации. Причинами  нарушения надежности электроснабжения потребителей являются короткие замыкания  в схемах внешнего (110, 220, 330, 500 кВ) и  внутреннего электроснабжения (6, 10 кВ), пуск и самозапуск мощных электродвигателей, ошибочное срабатывание устройств  релейной защиты.

       В быту в последние годы широкое  распространение получили телевизоры, компьютеры и другие устройства, работающие на постоянном токе через вторичный  источник питания и ухудшающие КЭ в питающей сети. В итоге возник своего рода парадокс: применение новых  технологий, которые экономичны и  технологически эффективны, которые улучшают жизнь людей и отрицательно сказывается на КЭ в электрических сетях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1.Факторы негативно влияющие на надежность электроснабжения.

       Каждый  электроприемник предназначен для  работы при номинальных (или близких  к ним) параметрах электрической  энергии (напряжении, частоте и т. п.), и для его нормальной работы должно быть обеспечено требуемое КЭЭ. Таким образом, КЭЭ определяется совокупностью характеристик электрической  энергии, при которых приемники  электрической энергии будут  нормально работать и выполнять  заложенные в них функции.

       К факторам, негативно влияющим на надежность электроснабжения потребителей предприятий, относятся:

-резкое  снижение надежности системы  внешнего электроснабжения объектов;

-реформирование  электроэнергетической отрасли,  отсутствие технических и экономических  механизмов повышения КЭЭ, разграничения  зоны ответственности за КЭЭ;

-физический  износ, отсталость технических  решений по применению высоковольтного  оборудования и устройств РЗА  энергосистем и ГПП предприятий;

-недостаточное  финансирование программ капитальных  ремонтов, перевооружения и модернизации  оборудования;

-снижение  уровня квалификации обслуживающего  персонала РАО ЕЭС и предприятий,  отсутствие преемственности поколений;

-необходимость  уточнения уставок РЗА ввиду  существенного изменения загрузки  трансформаторов ГПП и режимов  работы предприятий.

       В общем случае низкое качество электроэнергии характеризуют как любые изменения  в энергоснабжении, приводящие к  нарушениям нормального режима работы производственного процесса или  повреждению оборудования, трансформаторов, электродвигателей.

       Ущерб, который несут потребители и  энергосистема вследствие ухудшения  КЭ, принято делить на электромагнитный и технологический.

       Основные  формы электромагнитного ущерба:

-снижение  эффективности процессов генерации,  передачи и потребления электроэнергии  за счет увеличения потерь  в элементах сети;

-уменьшение  срока службы и выход из  строя электрооборудования из-за  нарушения его нормальных режимов  работы и старения изоляции;

-нарушение  нормальной работы и выход  из строя устройств релейной  защиты, автоматики и связи.

       Все это в итоге приводит к снижению надежности системы электроснабжения в целом.

       К технологическому ущербу относят снижение производительности и порчу технологического оборудования, что приводит к ухудшению  качества и недоотпуску продукции. 

       2.Показатели  качества электрической энергии.

       С 1 января 1999 года в нашей стране действует  вторая редакция ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (далее ГОСТ), который определяет показатели качества электрической  энергии. Каждый из этих показателей  характеризует какое-либо свойство электрической энергии:

-установившееся  отклонение напряжения δUу;

-размах  изменения напряжения δUt;

-доза  фликкера Рt;

-коэффициент  искажения синусоидальности кривой  напряжения КU;

-коэффициент  n-ой гармонической составляющей  напряжения;

-коэффициент  несимметрии напряжений по обратной  последовательности К2U;

-коэффициент  несимметрии напряжений по нулевой  последовательности К0U;

-отклонение  частоты Δf;

-длительность  провала напряжения Δtп. 

       2.1. Отклонение напряжения.

       Нормируемый показатель:

-установившееся  отклонение напряжения.

       Причины выхода показателя за пределы норм:

-суточные, сезонные и технологические изменения  токовой нагрузки;

-изменение  мощности генераторов и компенсирующих  устройств;

-изменения  схемы и параметров электрической  сети.

       Влияние на работу различных ЭП.

       Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу электродвигателей. В случае снижения напряжения на зажимах двигателя уменьшается реактивная мощность намагничивания, при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции. Повышенный износ изоляции приводит к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя возможно его «опрокидывание» из-за уменьшения вращающего момента и частоты вращения ротора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо каким-то образом компенсировать.

       Вентильные  преобразователи обычно имеют систему  автоматического регулирования  постоянного тока путем фазового управления. Угол регулирования автоматически  изменяется прямо пропорционально  изменению напряжения питающей сети. Повышение напряжения на 1 % приводит к увеличению потребления реактивной мощности преобразователем на (1,0 ... 1,5) %, что приводит к ухудшению коэффициента мощности.

       Электротермическое  оборудование, электролизные и сварочные  установки также чувствительны  к отклонениям напряжения. Отрицательные  отклонения напряжения приводят к увеличению производственного процесса во времени, а иногда и к браку продукции.

       Следует также отметить одно простое, но очень  важное правило, общее для любых  ЭП: при повышении напряжения сверх  номинального происходит перерасход электроэнергии по сравнению с уровнем ее потребления  в номинальном режиме работы электрооборудования.

       Ответственность и меры компенсации.

       Согласно  ГОСТ ответственность за поддержание  отклонения напряжения в пределах норм лежит на энергоснабжающих организациях. Существуют два основных способа  обеспечения требований по отклонениям  напряжения в электрической сети.

       Первый  способ заключается в регулировании  уровня напряжения в центре питания (ЦП) и у потребителя. Технически это осуществляется путем изменения  коэффициента трансформации с помощью  систем переключения витков обмоток  трансформатора без возбуждения (ПБВ) и регулирования под нагрузкой (РПН). Также используются линейные регуляторы напряжения. На (рис.2.1.1) качественно показано, как изменяется уровень отклонения напряжения вдоль участка сети от ЦП до потребителей.

       

       Рисунок 2.1.1 - Изменение уровня отклонения напряжения вдоль участка сети от ЦП до потребителей 

       Отсюда  видно, что требования по отклонениям  напряжения для удаленных ЭП могут  не выполняться. Автоматическая система  РПН на трансформаторе может существенно  исправить положение. Второй способ, основанный на снижении потерь напряжения в питающих линиях, может быть реализован за счет снижения активного и реактивного  сопротивлений. Снижение активного  сопротивления достигается увеличением  сечения проводов, а реактивного  – применением устройств продольной емкостной компенсации (УПК). Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему уменьшается  ее реактивное сопротивление.

       Эффективным средством регулирования напряжения являются источники реактивной мощности (ИРМ). Их воздействие основано на снижении перетоков реактивной мощности по линиям питающей сети, т. е. на снижении составляющей потерь напряжения. В качестве ИРМ  используются синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения, конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы и  статические тиристорные компенсаторы.