Показатели качества электроэнергии и их влияние на работу электрооборудования

Показатели качества электроэнергии и их влияние на работу электрооборудования

 
1.Введение 

Обеспечение надежного качества электроэнергии ведет к повышению эффективности работы приемников электроэнергии и электроэнергетических систем.

Решение проблемы качества электроэнергии должно опираться на технико-экономическое сопоставление эффекта от мероприятий по улучшению качества и неизбежных при этом дополнительных затрат.

Качество электроэнергии оценивается по технико-экономическим показателям, учитывающим ущерб от некачественной электроэнергии:

- технологический ущерб, обусловленный недоотпуском продукции, расстройством технологического процесса потребителей электроэнергии – ущерб в системах электроснабжения потребителей;

- электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, выражающийся в увеличении потерь электроэнергии и нарушении работы электрооборудования -  ущерб в электроэнергетике.

Качество электроэнергии связано с надежностью, поскольку нормальным

считается режим электроснабжения, при котором потребители обеспечиваются электроэнергией нормированного качества, требуемого количества и бесперебойно. 

   Основные показатели качества электроэнергии

ГОСТ 13109-99 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения - ТОП).

Этот ГОСТ устанавливает 11 основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ):

1) отклонение частоты δf;

2) установившееся отклонение напряжения δUу;

3) размах изменения напряжения δU1

4) дозу фликера (мерцания или  колебания) Рt;

5) коэффициент искажения синусоидальности  кривой напряжения КU

6) коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения КU(n)

7) коэффициент несимметрии напряжений  по обратной последовательности К2U',

8) коэффициент несимметрии напряжений  по нулевой последовательности К0U;

9) глубину и длительность провала  напряжения δUn , ∆tn;

10) импульсное напряжение Uимп;

11) коэффициент временного перенапряжения КлерU.

 

1.1. Отклонение частоты

Отклонение частоты в электрической системе, Гц, характеризует разность между действительным и номинальным значениями частоты переменного тока в системе электроснабжения и определяется по выражению

δf = f - fном

Допустимые нормы по отклонению частоты составляют

δfнорм= ± 0,2 Гц,        δfпред =± 0,4 Гц

Влияние: При возникновении дефицита генерируемой мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности, при избытке  генерируемой мощности, наоборот, частота повышается.      

Частота переменного тока в электрической системе определяется скоростью вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц) может быть обеспечено при наличии резерва активной мощности на электростанциях.

В первую очередь изменение частоты отрицательно влияет на работу   электрических   двигателей,   которые   представляют   собой основную нагрузку энергосистемы. Снижение частоты ведет к уменьшению эффективности работы оборудования собственных нужд электростанции, уменьшению генерации активной мощности и, как следствие, к еще большему снижению частоты вплоть до полного отключения генераторов.

Рост частоты также увеличивает токи намагничивания, а следовательно, и нагрев сталесодержащих элементов двигателей и трансформаторов. Это в свою очередь приводит к преждевременному старению указанных устройств.

 

1.2. Отклонение напряжения

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения текущего значения напряжения С/ от номинального значения С/ном:

Причина: Отклонения напряжения от номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей; изменения мощности компенсирующих устройств; регулирования напряжения генераторами электростанций и на подстанциях энергосистем; изменения схемы и параметров электрических сетей. Отклонение напряжения нормируется на выводах приемников электрической энергии:

    Влияние: При отклонении напряжения от номинального значения потребители электроэнергии и электрические сети работают в худших условиях по сравнению с режимом номинальных напряжений.

При повышении напряжения:

- возникает опасность перегрева статоров асинхронных двигателей;

- уменьшается срок службы ламп накаливания (в 5 раз при увеличении

напряжения на 10 %);

- увеличивается ток холостого хода трансформаторов, что приводит к перегреву сердечников трансформаторов;

- увеличивается потребление реактивной мощности вентильными преобразователями (на 1…1,5 % при повышении напряжения на 1 %).

При снижении напряжения:

- уменьшаются вращающие моменты асинхронных двигателей (на 19 %

при снижении напряжения на 10 %);

- возможен перегрев роторов асинхронных двигателей, уменьшение их

пусковых и опрокидывающих моментов, что может повлечь за собой нарушение технологического процесса электроприемников;

- уменьшается световой поток ламп накаливания (на 30 % при снижении

напряжения на 10 %);

- возникает перерасход электроэнергии и ухудшается технологический

процесс электропечей (в 1,5 раза при снижении напряжения на 7 %).

Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.

Снижение потерь напряжения (ΔU) достигается:

·  Выбором сечения проводников линий электропередач по условиям потерь напряжения.

·  Применением продольной емкостной компенсации реактивного сопротивления линии (X).

·  Компенсацией реактивной мощности (Q) для снижения ее передачи по электросетям, с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения.

Кроме снижения потерь напряжения, компенсация реактивной мощности является эффективным мероприятием энергосбережения, обеспечивающим снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.

Регулирование напряжения U:

·  В центре питания регулирование напряжения  осуществляется с помощью трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки — регулирование под нагрузкой (РПН). Такими устройствами оснащены ~ 10 % трансформаторов. Диапазон регулирования ± 16 % с дискретностью 1,78 %.

·  Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях (UТП) с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации  — переключение без возбуждения (ПБВ), т.е. с отключением от сети. Диапазон регулирования  ± 5 % с дискретностью 2,5 %.

 

1.3. Колебания напряжения

Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения δU1, , дозой фликера Рt.

Колебания напряжения — быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд. Колебания напряжения происходят под воздействием быстро изменяющейся нагрузки сети.

Источниками колебаний напряжения являются мощные электроприёмники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности: дуговые и индукционные печи; электросварочные машины; электродвигатели при пуске.

Размах изменения напряжения -  разность между следующими друг за другом действующих значений напряжения любой формы, т. е. между следующими друг за другом максимальным и минимальным значениями огибающей действующих значений напряжения.

Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования:

Отклонения напряжения 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 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. Мера восприятия человеком пульсаций светового потока — доза фликера. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения  δUt = 29 %. Причём, при одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп.

В качестве вероятного виновника колебаний напряжения ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с переменной нагрузкой.

Мероприятия по снижению колебаний напряжения:

·  Применение оборудования с улучшенными характеристиками.

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

·  Подключение к мощной системе электроснабжения

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

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

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

„Минусы“ — возрастают потери при неполной загрузке трансформаторов.

·  Снижение сопротивления питающего участка сети.

„Минусы“ — увеличиваются капитальные затраты, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания.

 

1.4. Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения — искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. 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.

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

Строго говоря, все потребители имеют нелинейную вольтамперную характеристику, кроме ламп накаливания, да и те запрещены.

 Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

• коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;
• коэффициентом n-и гармонической составляющей напряжения.
• Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu,

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

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

·  В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери.

Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

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

·  Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

·  Выходят из строя компьютеры.

  Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

·  Аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения:

·  Подключение к мощной системе электроснабжения.

·  Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

·  Снижение сопротивления питающего участка сети.

·  Применение фильтрокомпенсирующих устройств.

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный  контур, реактивное сопротивление  которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генерируемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности

 

1.5. Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений.

Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам.

Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85...90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может обусловить превышение нормально допустимые 2 %.

Несимметрия напряжений, согласно ГОСТ 13109-97, характеризуется

двумя показателями: коэффициентом несимметрии напряжений по обратной

последовательности; коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

     Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности. Коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности называется величина, равная отношению напряжения обратной последовательности к номинальному напряжению.

     Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности называется величина, равная отношению напряжения нулевой последовательности к номинальному фазному напряжению.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

·  В электрических сетях возрастают потери электроэнергии от дополнительных потерь в нулевом проводе.

·  Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

·  В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

·  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 K2U = 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 (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, — нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

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

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

·  Равномерное распределение нагрузки по фазам.

Это наиболее эффективное мероприятие, но оно требует творческого подхода при проектировании электроустановок и решительности при эксплуатации.

·  Применение симметрирующих устройств.

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

Применение симметрирующих устройств сопровождается дополнительными капитальными затратами на их приобретение и монтаж, затратами на обслуживание и эксплуатацию.

 

1.6. Провал напряжения

Внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90 % Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения.

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.

Провал напряжения характеризуется глубиной (по отношению к значению напряжения в нормальном режиме) и длительностью.

Длительность провала напряжения ∆t - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Глубина провала напряжения равна разности между номинальным значением напряжения и минимальным среднеквадратическим значением напряжения в течение провала напряжения.

Восстановление напряжения после провала наступает благодаря действию системы автоматического повторного включения (АПВ), а при неуспешном АПВ, при длительных провалах, благодаря устройствам автоматического ввода резервного питания (АВР). 
     В настоящее время ввиду широкого внедрения компьютерных и телекоммуникационных технологий сетевые средства защиты и автоматики не в состоянии защитить это оборудование от провалов напряжения. Сети, питающие такие технологические системы, требуют абсолютно бесперебойного электроснабжения. В таких сетях устанавливают источники бесперебойного питания, а при длительном исчезновении напряжения до нескольких десятков минут и более, — дизель-генераторные установки мощностью до нескольких сотен киловатт. Но применение таких дорогостоящих систем при стоимости резервных источников (ИБП и ДГУ) выше 20 % стоимости защищаемого оборудования и информации не рентабельно. Практика последних лет показывает, что этим критерием редко пользуются и руководствуются стоимостью ущерба, обусловленного потерей информации, требованиями безопасности, сохранения здоровья и жизни людей.

 

1.7. Импульсное напряжение

Резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд.

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.

Наиболее чувствительны к импульсным напряжениям электронные и микропроцессорные элементы систем управления и защиты, компьютеры, серверы и компьютерные станции.

Основным способом защиты от импульсных напряжений является использование ограничителей перенапряжения (ОПН) на основе металло- 
оксидных соединений.

 

1.8. Временное перенапряжение

Внезапное и значительное повышение напряжения (более 110 % Uном) длительностью более 10 миллисекунд.

Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и при 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 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.

 
 
  

 

 
ЛИТЕРАТУРА 
1.ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”. 
2. Сибикин М.Ю., Сибикин Ю.Д., Яшков В.А, Электроснабжение промышленных предприятий и установок.