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. 

       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.