Анализ показателей качества электрической энергии

       2.2. Колебания напряжения.

       Нормируемые показатели:

-размах  изменения напряжения;

-доза  фликера. 

       Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании ЭП с  быстропеременными режимами работы, сопровождающимися резкими изменениями  мощности (главным образом реактивной) нагрузки. Наиболее распространенные ЭП, порождающие колебания напряжения, это:

         -тяговые подстанции;

         -приводы реверсивных  прокатных станов;

         -дуговые сталеплавильные  печи;

         -сварочные аппараты;

         -электролизные установки. 

       Влияние на работу различных ЭП.

       При резких изменениях токовой нагрузки происходит столь же резкое изменение  эквивалентных параметров ЭП, в результате чего имеет место модуляция во времени амплитуд и фаз вынужденных  составляющих мгновенного тока как  основной, так и кратных ей высших несущих частот. В некоторых случаях  возможно также появление свободных  составляющих. Все это естественным образом приводит к увеличению суммарных  активных потерь в сети.

       К числу ЭП, чрезвычайно чувствительных к колебаниям напряжения, относятся  осветительные приборы, особенно лампы  накаливания и электронная техника.

       Колебания напряжения вызывают мигание ламп накаливания (фликер-эффект), что порождает неприятный психологический эффект у человека, утомление зрения и организма  в целом. Это ведет к снижению производительности труда, а в ряде случаев и к травматизму.

       Колебания напряжения нарушают нормальную работу и уменьшают срок службы электронной  аппаратуры: устройств телефонно-телеграфной  связи, теле-, радио-, приемо-передающей аппаратуры, офисной и бытовой техники.

       При значительных колебаниях напряжения могут  быть нарушены условия нормальной работы электродвигателей, возможно отпадание  контактов магнитных пускателей с соответствующим отключением  работающих двигателей.

       Колебания напряжения с размахом (10 ... 15) % могут  привести к выходу из строя конденсаторных батарей, а также вентильных преобразователей. На металлургических заводах возможно разрушение сердечников индукционных плавильных печей. Снижается производительность электролизных установок, сокращается  срок их службы вследствие повышенного  износа анодов. Колебания амплитуды  и фазы напряжения вызывают колебания  электромагнитного момента, активной и реактивной мощностей синхронных генераторов блок-станций предприятий, а это сказывается на экономичности  работы станции. Известны случаи возникновения  неустойчивой работы систем автоматического  регулирования возбуждения и  реактивной мощности синхронных генераторов  и двигателей и даже ложной работы форсировки возбуждения.

       Колебания фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателей, механических конструкций и трубопроводной арматуры. В последнем случае снижается  усталостная прочность металла, сокращается срок его службы.

       Ответственность и меры компенсации.

       Согласно  ГОСТ виновниками возникновения  колебаний напряжения являются потребители  с резкопеременной нагрузкой. Их компенсация осуществляется путем  применения быстродействующих источников реактивной мощности, способных компенсировать изменения реактивной мощности.

       Для снижения влияния резкопеременой нагрузки на чувствительные ЭП применяют способ разделения, при котором резкопеременную  и чувствительную к колебаниям напряжения нагрузки присоединяют к разным трансформаторам.

       Также для этой цели применяют трансформаторы с расщепленной обмоткой и сдвоенные  реакторы (рис. 2.2.1.)

       

       Рисунок 2.2.1 – Схема включения сдвоенного реактора.

         Эффект использования сдвоенного  реактора основан на том, что  коэффициент взаимодействия между его обмотками К_м = 0, а падение напряжения в каждой секции:

       DU₁=jXL(I₁-K_MI₂);

       DU₂=jXL(I₂-K_MI₁).

       Падение напряжения за счет электромагнитной связи обмоток реактора снижается  на 50 - 60 %. 

       2.3. Несинусоидальность напряжения.

       Нормируемые показатели:

         -коэффициент искажения  синусоидальности кривой напряжения;

         -коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

       Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании различных  нелинейных ЭП, таких как:

         -вентильные преобразователи; 

         -силовое электрооборудование  с тиристорным управлением;

         -дуговые и индукционные  электропечи; 

         -люминесцентные  лампы;

         -установки дуговой  и контактной сварки;

         -преобразователи  частоты; 

         -бытовая техника  (компьютеры, телевизоры и др.).

       В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая  расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических, который «выбрасывается»  во внешнюю сеть.

       Влияние на работу различных ЭП.

       Во  вращающихся машинах гармоники  напряжения и тока приводят к появлению  добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в  стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением, из-за вихревых токов и поверхностного эффекта. Токи утечки, вызываемые гармониками  в торцевых зонах статора и  ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению  общей температуры машины и к  местным перегревам, наиболее вероятным  в роторе, что может привести к  очень серьезным последствиям. Также  следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может  возникнуть механическая вибрация ротора.

       В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми  токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного  трансформатора, так как наличие  фильтра, присоединенного обычно к  стороне переменного тока, не снижает  гармоник тока в трансформаторе. Кроме  того, могут наблюдаться локальные  перегревы трансформаторного бака.

       В батареях конденсаторов гармоники  тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого  происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении  гармонических резонансов в сети.

       Гармоники могут нарушать работу устройств  защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными  являются ложные срабатывания, которые  наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.

       Влияние гармоник на индукционные приборы измерения  мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности  результатов их измерений.

       Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень  шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.

       Ответственность и меры компенсации.

       По  ГОСТ виновниками гармонических  искажений являются потребители  с нелинейными нагрузками. Способы  снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

       1).Схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, группирование вентильных преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания (S_кз);

       2).Применение оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник, например «ненасыщающихся» трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;

       3).Использование фильтровых устройств: параллельных узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств (ФКУ и ФСУ).

       Принцип работы фильтров высших гармоник поясняется (рис.2.3.1).

       

       Рисунок 2.3.1 - Принцип работы фильтров высших гармоник. 

       Вентильный  преобразователь (ВП) работает по 6-фазной схеме. Он генерирует во внешнюю сеть гармоники порядка n = (6n+1), при этом наибольшие амплитуды, как известно, имеют 5-я и 7-я гармоники. При установке резонансных фильтров, настроенных на частоты этих гармоник, последние не выходят в питающую сеть. 

       2.4. Несимметрия трехфазной системы  напряжений.

       Нормируемые показатели:

-коэффициент  несимметрии напряжений по обратной  последовательности;

-коэффициент  несимметрии напряжений по нулевой  последовательности.

       Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании различных  несимметричных или однофазных ЭП, таких, как:

-дуговые  сталеплавильные печи;

-тяговые  нагрузки железных дорог на  переменном токе;

-электросварочные  агрегаты;

-осветительные  установки; 

-однофазная  коммунально-бытовая нагрузка.

       Влияние на работу различных ЭП.

       Несимметричные  токи нагрузки, протекающие по элементам  системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения  напряжения. Вследствие этого на выводах  ЭП появляется несимметричная система  напряжений. Отклонения напряжения у  ЭП перегруженной фазы могут превысить  допустимые значения. Кроме ухудшения  режима напряжения у ЭП, при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия  работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, что ведет к  снижению надежности работы электрооборудования  и системы электроснабжения в  целом.

       Качественно отличается действие несимметричного  режима от симметричного у таких  распространенных трехфазных ЭП, как  асинхронные двигатели (АД). Сопротивление  обратной последовательности АД примерно в 5 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая  несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, что  ведет к дополнительному нагреву  статора и ротора. Все это в  итоге приводит к ускоренному  старению изоляции и уменьшению располагаемой  мощности двигателя.

       При несимметрии напряжений сети в синхронных машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут  возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих  моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети.

       В случае наличия токов обратной и  нулевой последовательности увеличиваются  суммарные токи в отдельных элементах  сети, что приводит к увеличению суммарных потерь мощности (энергии) и может быть недопустимо с  точки зрения нагрева.

       Отметим, что значительные токи нулевой последовательности, протекающие через нулевой проводник  недостаточного сечения, могут вызвать  его сильный нагрев. Зафиксирован ряд случаев возникновения пожаров  в зданиях из-за перегрева нулевых  проводников, сечение которых составляло 25 или 50 % фазного провода.