ФЭА / Электроэнергетика / Лекция Качество электрической энергии и его обеспечение
(автор - student, добавлено - 22-01-2013, 19:04)
СКАЧАТЬ:
Лекция №12 Качество электрической энергии и его обеспечение 12.1. Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников и аппаратов, допустимые показатели Электроприемники (ЭП) и аппараты, присоединен¬ные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных номинальных параметрах: номиналь¬ной частоте переменного тока, номинальном напряже¬нии, номинальном токе и т. п. Таким образом, при элек¬троснабжении потребителей должно быть обеспечено требуемое качество электроэнергии. ЭП и аппараты могут присоединяться в различных пунктах электрических сетей, поэтому электрические сети по-раз¬ному влияют на показатели качества электроэнергии. Например, значения напряжений на зажимах ЭП будут зависеть oт протяженности и характера элегической сети, находящейся между источниками питания и дан¬ными ЭП. Опыт проектирования, и эксплуатации электрических сетей показывает, что мероприятия по исключению или снижению влияния электрических сетей на показатели качества электроэнергии могут быть весьма дорогими. С точки зрения народного хозяйства более экономичным оказывается создание ЭП (аппаратов), допускающих работу при некоторых, относительно небольших отклоне¬ниях номинальных параметров. При этом, очевидно, технические и экономические показатели работы ЭП бу¬дут несколько изменяться, однако они должны находить¬ся в приемлемых пределах. В соответствии с ГОСТ 13109-67 нормируе¬мые показатели качества электро-энергии у ее приемни¬ков при питании от электрических сетей трехфазного пере-менного тока относятся к частоте переменного тока, напряжению, несимметрии напряжений и несинусои¬дальности формы кривой напряжения. Рассмотрим подробнее влияние отдельных показа¬телей качества электроэнергии на работу ЭП и аппара¬тов, а также их допустимые значения. Частота переменного тока в электрической системе определяется скоростью вращения генераторов электро¬станций. Номинальное значение частоты — 50 Гц, в электрической системе может быть обес¬печено при условии наличия резерва активной мощно¬сти. В каждый момент времени в электрической системе должно обеспечиваться равенство между мощностью ге¬нераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой с учетом потерь мощности в электрических сетях. В случае увеличения нагрузки она должна покры¬ваться за счет имеющегося резерва мощности. При ис¬черпании резерва активной мощности частота токов и напряжений в электрической системе будет меньше но¬минальной. Рассмотрим это положение на примере прос¬тейшей электрической системы. Понижение частоты при¬водит к уменьшению скоро¬сти вращения всех включен¬ных в работу электродвига¬телей. При этом снижается производительность соеди¬ненных с ними механизмов, что во многих случаях ухудшает экономические по¬казатели их работы. При значительном повышении ча¬стоты в системе, что может иметь место, например, в случае резкого уменьшения нагрузки, возможно повре¬ждение оборудования. Для улучшения условий работы потребителей и обо¬рудования ГОСТ нормируются значения отклонений Δf = f – fН от номинальной частоты. В нормальных режи¬мах работы допускаются значения Δf в пределах ±0,1 Гц. Современные системы автоматического регули¬рования частоты обеспечивают выполнение этих требо¬ваний. Изменения нагрузки потребителей в электрической системе могут быть различными по характеру. Так, на¬блюдаются небольшие и кратковременные изменения, а также сравнительно большие и более длительные, на¬пример, при смене дня и ночи. При малых изменениях нагрузки требуется относительно небольшой резерв мощ¬ности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты в системе может производиться на одной, так называемой частотной станции. При больших изменени¬ях нагрузки увеличение мощности должно быть преду¬смотрено на значительном количестве станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемым изменением на¬грузки потребителей заранее составляются графики со¬ответствующего изменения нагрузки электростанций. При этом предусматривается так называемое экономи¬ческое распределение нагрузки между станциями. В послеаварийных режимах, например при отключе¬нии мощных линий электропередачи, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно рабо¬тающие части. В некоторых из них мощность электро¬станций может оказаться недостаточной и будут наблюдаться большие снижения частоты. Это приведет к резкому снижению производительности оборудования электро-станций — питательных и циркуляционных насо¬сов, дымососов и т. п., что вызывает дальнейшее значи¬тельное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из работы. Для предотвращения общесистем¬ных аварий в подобных случаях предусматриваются спе¬циальные автоматические устройства частотной разгруз¬ки АЧР, отключающие часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности — например, после включения резервных источников, специ¬альные устройства частотного АПВ автоматически пов¬торно включают отключенных потребителей и нормаль¬ная работа системы восстанавли-вается. Отклонения напряжения. При анализе режимов на¬пряжения в электрических сетях обычно имеют дело с отклонениями V фактических значений U от номиналь¬ного напряжения UН: или . (12.1) При этом имеется в виду, что режимы напряжений изменяются достаточно медленно. Работа ЭП при значениях напряжения, отличных от номинального, характеризуется измене¬нием технико-экономических показателей. Рассмотрим некоторые примеры. В случае работы лампы накаливания с отклонением напряжения V= + 10% световой поток ее, а следова¬тельно и освещенность рабочей поверхности возрастаю примерно на 40%. Однако при этом срок службы лампы сокращается примерно в 3 раза. При работе с отклонениями V = – 10% срок службы возрастает примерно в 2 раза но зато световой поток снижается в среднем на 40%.В результате резко снижается освещенность ра¬бочей поверхности, а следовательно, и производитель¬ность труда работающих. Момент вращения и скольжение асинхронных двигателей зависят от напряжения на их зажимах. При сниже¬нии напряжения хотя бы на 10% по сравнению с номи¬нальным значением может несколько снизиться производительность работы приводимых двигателями производ¬ственных механизмов. При значительном снижении напряжения двигатели могут остановиться. Повышение напряжения на зажимах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность уве-личивается на 3% и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя) В случае снижения напряжения на зажимах двига¬теля при той же потребляемой мощности увеличивается его ток. При этом происходит более интенсивный нагрев изоляции двигателя и соответственно снижается срок его службы Расчеты показывают, что при длительной раб полностью загруженного двигателя с отклонениями на¬пряжения на зажимах V = – 10% срок его службы сокра¬щается примерно вдвое. Работа электротермических установок при снижнии напряжения на их зажимах существенно ухудшается, увеличивается длительность технологического процесса, а в ряде случаев при значительных изменениях V может иметь место и полное расстройство технологического процесса. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению их производительно¬сти, повышению удельного расхода электроэнергии и уве-личению себестоимости продукции. Для предотвращения указанного ухудшения техниче¬ских и экономических показателей работы ЭП ГОСТ до¬пускаются следующие отклонения напряжения у их за¬жимов: для осветительных ЭП в производственных и об¬щественных помещениях от – 2,5 до +5%; для асинхрон¬ных электродвигателей от – 5 до +10% и для всех про¬чих ЭП от – 5 до +5%. Для электрических аппаратов, присоединяемых к элек¬трическим сетям, значе-ния напряжений ограничиваются условиями работы изоляции, а также нагрева стали по¬нижающих трансформаторов. В связи с этим устанавли¬вается допустимая величина длительного превышения фактического значения напряжения по сравнению с соот¬ветствующим номинальным значением. В сетях до 20 кВ включительно допустимая величина превышения напря¬жения равна 20%, в сетях 35 – 220 кВ —15%, в сетях 330 кВ — 10 %, 500 – 750 кВ — 5 %. Для трансформаторов величина допустимого превы¬шения напряжения определяется более сложно. В каче¬стве ориентировочного показателя можно считать, что допустимо превышение магнитной индукции в стали на 5% сверх значения, получаемого в режиме холостого хо¬да при номинальном напряжении данного регулировоч¬ного ответвления трансформатора. Для генераторов и синхронных компенсаторов допу¬скается работа с номинальной мощностью при отклоне¬ниях от номинального напряжения в пределах от – 5 до + 5%. При этом следует иметь в виду, что номинальные напряжения генераторов на 5% выше, чем для электри¬ческих сетей. Реактивные сопротивления в элементах современных электрических сетей – линиях и трансформаторах, в большинстве случаев больше активных. Поэтому режим напряжений в электрических сетях в основном определя¬ется значениями реактивной мощности. Кроме того, тре¬буемый режим напряжений может быть обеспечен только при условии наличия резерва баланса реактивной мощ¬ности. Это означает, что во всех основных узлах системы располагаемая мощность источников должна быть боль¬ше суммарной реактивной мощности нагрузки потребителей с учетом потерь ее в эле¬ментах сети. Несимметрия напряжений характеризуется значения¬ми напряжений обратной и нулевой последовательностей. В результате увеличиваются суммарные зна¬чения отклонений от номинального напряжения и, следо¬вательно, ухудшается режим напряжений у ЭП. Очень неблагоприятно влияет напряжение обратной последова¬тельности, даже небольшой величины, на работу вращаю-щихся электрических машин. В них токи обратной последовательности получаются значительными по величине — в 5—7 раз больше значений напряжений обратной после¬довательности. При этом возникают вращающееся маг¬нитное поле обратной последовательности, ЭДС и токи двойной частоты в цепях роторов, что приводит к допол¬нительному нагреву соответствующих частей машины. В случае наличия токов обратной и нулевой последо¬вательностей увеличиваются суммарные токи в отдель¬ных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь мощности и энергии и может быть недопустимо с точки зрения нагрева. Токи нулевой последовательности протекают постоянно через заземлители. При этом допол¬нительно высушивается грунт и увеличивается сопротив¬ление заземляющих устройств. Это может быть недопу¬стимым с точки зрения работы релейной защиты, а так¬же из-за усиления воздействия на низкочастотные уста¬новки связи, устройства железнодорожной блокировки. Для предотвращения указанных неприятных явлений в ГОСТ для всех ЭП до-пускается напряжение обратной последовательности в пределах только до 2% но-миналь¬ного. Для асинхронных электродвигателей разрешается несколько увеличить это значение в зависимости от их коэффициента загрузки. Величина напряжения нулевой последовательности не регламентируется. Однако для трехфазных распределительных сетей с однофазными ЭП указывается, что действующие значения напряжений у ЭП не должны выходить за допустимые пределы при учете всех влияющих факторов — напряжений обратной и нулевой последовательностей, отклонений напряжения прямой последовательности и гармоник напряжения. В целях снижения или устранения несимметрии на¬пряжений или токов в каком-либо участке сети применя¬ют специальные симметрирующие устройства. Несинусоидальность напряжений характеризуется на¬личием помимо гармоники основной частоты U1 слагаю¬щих гармоник Uγ других высших частот. В целом несинусоидальные режимы обладают теми же недостатками, что и не-симметричные. Однако из-за большей частоты несинусоидальные токи приводят к боль¬шему дополнительному нагреву вращающихся машин, а также к большему дополнительному нагреву и увели¬ченным диэлектрическим потерям в конденсаторах. Воз¬можно также возникновение резонансных явлений в се¬тях на высших частотах. При этом резко возрастают значения токов и напряжений на отдельных участках сети. Для снижения или устранения высших гармоник при-меняют специальные фильтры, создающие короткозамкнутую цепь для соответствующей гармоники. При этом исключается ее распространение в осталь-ной части сети. 12.2. Регулирование напряжения при симметричных режимах Требования к режиму напряжений в электрических се¬тях. Режим напряже-ний в электрических сетях должен быть таким, чтобы в первую очередь были вы-полнены технические требования в отношении допустимых отклонений от номи-нального напряжений для ЭП и аппаратов, присоединяемых к этим сетям. В ряде случаев изменение режима напряжений может привести к определенному улучшению экономических показателей работы систем электроснабжения по-требителей в целом или их отдельных звеньев. Современные системы электроснабжения потребите¬лей характеризуются значительной протяженностью и многоступенчатой трансформацией напряжений. В каждом звене системы электроснаб¬жения — линии, трансформаторе имеют место потери на¬пряжения. Они зависят от параметров схемы замещения данного звена и от его нагрузки. В режимах наибольших нагрузок потери напряжения больше, в режимах малых нагрузок величина потерь напряжения соответственно уменьшается. Для иллюстрации рассмотрим изменение режима напряжений в системе электроснабжения, прин¬ципиальная схема которой представлена на рис. 12.1,а. От генераторов Г электростанции через трансформа¬торы Т1 электроэнергия поступает в линию Л1 питающей сети напряжением 110 кВ и далее в трансформаторы Т2 районной подстанции со вторичным напряжением 6 — 10 кв. Шины 6 —10 кВ этой подстанции являются цен¬тром питания ЦП распределительных сетей. Для приме¬ра на схеме показана линия Л2 распределительной сети 6—10 кВ, к которой в точках с, е и d присоединены рас-пределительные трансформаторы РТ. От шин 1 вторично¬го напряжения РТ питаются линии распределительной сети 380 В, к которым присоединяются ЭП (для упроще¬ния предполагаем, что к распределительной сети 6 —10 кВ ЭП не присоединяются). Предположим, что на шинах высшего напряжения электростанции (точка а) поддерживается постоянное напряжение при всех режимах нагрузок Uа = const. На диаграмме рис. 12.1,6 изменение напряжения вдоль линий условно изображено прямыми линиями. Напря¬жения всех электрических ступеней приведены к напря¬жению одной ступени. Сплошными линиями показаны напряжения в режимах наибольшей и наименьшей на¬грузок при отсутствии в сети каких-либо средств для изменения режима напряжения. В этом случае в линиях распределительной сети имеют место значительные отклонения от номинального напряжения (точки U'd и U"d на рис. 12.1,6). Очевидно, что это затрудняет, а в ряде случаев и не позволяет обеспечить допустимые отклоне¬ния напряжений у ЭП. Изменение коэффициента транс¬формации трансформатора Т2 в данном случае не улуч¬шает режима напряжения в распределительной сети, так как напряжения на шинах ЦП при этом увеличиваются на некоторую величину Е во всех режимах одинаково. Таким образом, размах отклонений от номинального на¬пряжения в пункте d оказывается по-прежнему недопу¬стимо большим (точки U'dE и U"dE на рис. 12.1,б). Режим напряжений в распределительной сети может быть улучшен, например, с помощью автоматического ре¬гулирования коэффициента трансформации трансформа¬тора Т2. При этом на шинах ЦП будет обеспечено так называемое встречное или согласное регулирование на¬пряжения. Под встречным регулированием напря¬жения понимают повышение напряжения до +5 8% номи-нального напряжения в режиме наибольших нагру¬зок (U'С ВСТР на рис. 12.1,в) и понижение напряжения до номинального (или ниже) в режимах наименьших на-грузок (U"С ВСТР на рис. 4-3,в) при линейном изменении в зависимости от величины нагрузки. Регулирование на¬пряжения (штриховые линии на рис. 12.1,в) необхо¬димо для обеспечения требуемого режима напряжений у ЭП. Следует иметь в виду, что автоматическое регулирова¬ние коэффициента трансформации трансформаторов (а также автотрансформаторов и линейных регуляторов) производится не плавно, а с определенной зоной нечувст-вительности. Зоной нечувствительности (или, иначе, мертвой зо¬ной) называют некоторую полосу изменения напряжения, при которой не происходит срабатывания регули-рующей аппаратуры. Ее величина зависит от ступени регулирова¬ния, которой называется напряжение между двумя соседними регулировочными ответвлениями трансформато¬ров с устройством РПН. Например, для трансформаторов 110 кВ ступень регулирования равна 1,78% от напряжения среднего ответвления (115 кВ). Зона нечувствительности автоматического регулятора на¬пряжения должна быть больше ступени регулирования трансформатора на некоторую величину (около 0,5%), так как иначе регулятор будет работать неустойчиво,т. е. будут иметь место многочисленные бесцельные сра¬батывания переключающих устройств. Понятие о допустимой потере напряжения в распреде¬лительной сети. Рас-смотрим приведенную на рис. 12.2,а схему простейшей распределительной сети одного напря¬жения — линии 380 В, отходящей от шин 1 распредели¬тельного трансформатора РТ с высшим напряжением 6—10 кВ и питающей три ЭП (1, 2, и 3). Примем для упрощения, что нагрузки линии 13 одинаковы по вели¬чине и длины участков 12 и 23 равны. Тогда режим на¬пряжения в линии 13 изо¬бразится прямой линией. В режиме наибольших нагрузок в линии будет наибольшая по-теря на¬пряжения ∆U'9 , а в режи¬ме наименьших нагрузок (например, ночью) — наи¬меньшая ∆U". Отклонения от номинального на¬пряжения вдоль линии 13 не должны выходить за предельные значения, до¬пустимые для присоеди¬ненных к линии ЭП. Для простоты допустим, что эти значения не должны превышать ±6%, на рис. 12.2,6, в они представлены штрих–пунктирными линиями. Предположим, что на шинах вторичного напряжения РТ во всех режимах поддерживается одинаковое напряжение, равное предельно допустимому значению для ЭП, присоединенного в т. 1, — 1,05UН. Поддержание стабиль¬ным этого значения напряжения может быть обеспечено с помощью автоматического изменения коэффициента трансформации трансформатора в ЦП (см. рис. 12.1,а). Поскольку автоматический регулятор имеет определен¬ную зону нечувствительности ε, то напряжение в т. 1 может быть представлено не одной величиной, а неко¬торым отрезком (аб). Соответственно изменение режима напряжений вдоль линии 13 следует представить не ли¬нией, а некоторой полосой, например, абвг, ширина ко¬торой равна е. На рис. 12.2,6 эти полосы для режимов наибольших и наименьших нагрузок заштрихованы. Обычно при изображении графиков изменения режима напряжения вдоль линии электрической сети изобража¬ют только верхнюю границу указанной полосы (см. рис. 4-4, в), подразумевая при этом имеющуюся зону не¬чувствительности. Режим напряжений в линии 13 при наибольших на¬грузках должен быть таким, чтобы полоса абвг не выхо¬дила за пределы допустимых отклонений напряжений у ЭП. Это означает, что при принятых допущениях точ¬ка г должна соответствовать напряжению не ниже 0,95UН, а точка в — напряжению 0,95UН + ε. Таким образом, в рас¬сматриваемом случае величина допустимой потери на-пряжения в линии 13 не должна превышать , (12.2) что при величине зоны нечувствительности, равной, на¬пример, 2,5%, составит: ΔU'Д = (1,05 — 0,95 — 0,025) UН или 7,5%. Предположим, что в соответствии с режимом напря¬жения на шинах ЦП напряжение в точке 1 при наиболь¬ших нагрузках составляет U'1 = UН, а в режиме наимень¬ших нагрузок U"1 = 1,05UН (рис. 12.2,в). В этом случае в линии 13 можно допустить потерю напряжения (12.3) т.е. только 2,5%. Таким образом, при понижении напряжения в начале линии 380 В в режиме наибольших нагрузок допустимая потеря напряжения в ней уменьшается. Распределительные трансформаторы с высшим напря¬жением 6 — 10 кВ обычно не снабжаются устройством РПН, так как это связано со значительным увеличением их стоимости. В связи с этим режим напря¬жений на шинах вторичного напряжения РТ зависит от режима напряжений в ЦП, от потери напряжения в рас¬пределительной сети 6 — 10 кВ и коэффициента трансфор¬мации РТ. Рассмотрим этот вопрос подробнее для про¬стейшей схемы — линии 6 — 10 кВ с присоединенным на конце ее одним РТ и линией 380 В (ЛЗ) (рис. 12.3). Стандартные РТ 6-10/0,4 кВ имеют в настоящее время пять регулировочных ответвлений на первичной обмотке. Среднее ответвление на 6 или 10 кВ; осталь-ные ответвления дают ±2,5 и ±5% дополнительно. Если к первичной обмотке РТ при использовании основного вывода (среднего ответвления) подвести напряжение, равное единице, то на стороне вторичного напряжения при холостом ходе напряжение будет равно 1,05. Это рав¬носильно добавке напряжения Е = 5%. При изменении ответвления можно получить дополнительную добавку на ±2,5 или ±5%. Таким образом, при использовании различных ответвлений первичных обмоток РТ может дать суммарную добавку напряжения Е= + 10, +7,5, +5, + 2,5, 0% (выбор ответвлений трансформаторов рассмо¬трен ниже). Напряжение UPT на вторичных шинах РТ определяется величиной напряжения на шинах ЦП UЦП, потерей напря¬жения в линии Л2 ΔUЛ2, потерей напряжения в РТ и величиной добавки напряжения Е в соответствии с выбран¬ным коэффициентом трансформации РТ: . (12.4) Допустим, что UЦП = 1,05UН; ΔUЛ2 =2,5%; ΔUРТ = 2,5% и Е = +5%. При этом напряжение на вторичных шинах РТ будет равно: , (12.5) что соответствует режиму, рассмотренному на рис. 4-4,6. В этом случае величина допустимой потери напряжения в сети 380 В получается наибольшей. При величине по¬тери напряжения в линии Л2, равной ΔUЛ2 = 5%, следует изменить коэффициент трансформации РТ так, чтобы Е = +7,5%. И в этом случае напряжение на вторичных шинах РТ будет равно l,05UH. Если же потеря напряжения в линии Л2 равна, например, 4%, то при Е = 5% Uрт = 1,035UH. Увеличить добавку напряжения РТ до Е = 7,5% в данном случае нельзя, так как UРТ при этом получится равным l,06 UH, что не удовлетворяет приня¬тым исходным условиям. В результате величина допу¬стимой потери напряжения в сети 380 В в данном случае должна быть уменьшена на 1,5%. Таким образом, величина допустимой потери напря¬жения в распределительной сети может быть однозначно определена только для заранее известных конкретных условий: значений допустимых отклонений от номиналь-ного напряжения на зажимах ЭП, режима напряжений в ЦП, величины зоны нечувствительности автоматиче¬ского регулятора трансформатора ЦП, величины добавки напряжения РТ (в соответствии с его регулировочными ответвлениями) и т.п. Следует иметь в виду, что даже в наиболее благоприятных условиях величина допусти¬мой потери напряжения в распределительной сети напря¬жением до 1 кВ получается не очень большой — не бо¬лее 7,5—6% номинального напряжения. В ряде случаев эта величина оказывается существенно меньшей. Это при¬водит к необходимости принятия специальных мер по снижению потерь напряжения в этих сетях и, в частности, к необходимости увеличения сечений проводов, что может существенно повысить стоимость сети. В распределительных сетях напряжением 6—20 кВ величина допустимой потери напряжения обычно оказы¬вается большей. При наличии встречного регулирования напряжения на шинах ЦП она может достигать 10 —12% номинального напряжения. В большинстве случаев такая величина ΔUН оказывается достаточной. Увеличение се¬чений проводов при этом может потребоваться лишь в случае весьма протяженных сетей, например в сель¬ских районах. Похожие статьи:
|
|