Показатели качества электроэнергии

При несимметрии  напряжений в электрических машинах  переменного тока возникают магнитные  поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В  результате возникает тормозной  электромагнитный момент, а также  дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В АД при  коэффициентах обратной последовательности напряжений, встречающихся в практике , снижение вращающего момента АД оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере.

При работе АД с номинальным вращающим моментом и коэффициентом обратной последовательности напряжений, равном 4 %, срок службы изоляции его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева. Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще большим. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать располагаемую мощность их, а при проектировании – увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятиях.

При несимметрии  напряжений сети в СД наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора  и ротора могут возникнуть опасные  вибрации в результате появления  знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться  опасной, в особенности при недостаточной  прочности или наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии  токов, не превышающей 30 %, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как  правило, не возникают.

Дополнительные  потери мощности в СД при несимметричной нагрузке вызывают появление местных (локальных) нагревов обмотки возбуждения, что приводит к необходимости  снижать ток возбуждения и  тем самым уменьшать значение РМ, выдаваемой в сеть. При этом может  возникнуть необходимость снизить  активную нагрузку генератора или момент на валу СД.

Согласно  «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей», длительная работа турбогенераторов и  СК допускается при разнице токов  в фазах статора, не превышающей  10 % номинального значения при условии, что ни один  из фазных токов не превосходит номинального значения. При тех же условиях для гидрогенераторов разница токов допускается до 20 %.

Несимметрия напряжений не оказывает  заметного влияния на работу ВЛ и  кабельных линий; в то же время  нагрев трансформаторов и, следовательно, сокращение срока их службы могут  оказаться существенными [47]. В случае несимметрии токов трансформатора нагрев масла будет несколько меньше, чем в случае симметричной нагрузки при токе фаз, равном току наиболее загруженной фазы; это объясняется более интенсивным охлаждением обмотки этой фазы. Сказанное относится к случаю, когда наличие несимметричных нагрузок не влечет за собой возникновения токов нулевой последовательности; такие условия имеют место в сетях 6–10–35 кВ промышленных предприятий, работающих с изолированной или компенсированной  нейтралью. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 0,1, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16 %.

При несимметрии  линейных напряжений РМ, генерируемая БК, изменяется по сравнению с номинальным  значением  на

где – линейное напряжение прямой последовательности; – номинальное напряжение БК.

При = 0,05¸0,06 оказывается . Поскольку на практике напряжение может быть больше или меньше напряжения , то возможно как увеличение, так и уменьшение генерируемой РМ. В последнем случае в наиболее загруженной фазе значение тепловых потерь может значительно превосходить номинальное значение; в результате появляется местный перегрев изоляции, приводящий к сокращению срока ее службы.

Несимметрия напряжений и токов отрицательно влияет на работу рудно-термических  печей, вызывая снижение их производительности, увеличение расхода ЭЭ и, тем самым, уменьшение КПД печи. Ухудшение основных показателей работы рудно-термических  печей оказывается бóльшим, чем  изменение степени несимметрии  режима, а после некоторых граничных  значений несимметрии наблюдается  резкое падение производительности и КПД печи при резком возрастании  расхода ЭЭ. Последнее объясняется  возникновением зон активного и  пассивного хода реакции и, тем самым, неравноценностью распределения энергии  по объему ванны печи.

Колебания напряжения в сетях возникают главным образом при работе резкопеременных нагрузок: управляемых ВП с широким диапазоном и большой скоростью регулирования напряжения, ДСП, мощных сварочных агрегатов и т.п.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии предметов, деталей, графических  изображений и в конечном счете  на производительности труда и зрении работников. Воздействие миганий  ламп зависит от типа светильника. При  одинаковых КН отрицательное влияние  ламп накаливания проявляется в  значительно большей мере, чем  газоразрядных ламп.  При  >10 % наблюдаются погасания газоразрядных ламп; при >15 % могут отпадать контакты магнитных пускателей. При таких КН наблюдается выход из строя конденсаторов и вентилей преобразовательных агрегатов.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на работе большого числа потребителей. Так, на одном из предприятий, к шинам 10 кВ которого была подключена ДСП типа ДСП-40, а также индукционные печи и СД высокочастотных преобразовательных агрегатов, амплитуды КН достигали 12 %. При этом возникали брак продукции установок высокочастотного нагрева и разрушение сердечников индукционных плавильных печей, отключались системы автоматического управления режимом и СД.

При КН снижается производительность электролизных установок, сокращается  срок их службы вследствие повышенного  износа анодов. На заводах химического  волокна вследствие колебаний частоты  вращения АД намоточных устройств синтетические  нити рвутся либо становятся разнотолщинными, что приводит к браку или недоотпуску  продукции. При питании печей  сопротивления от ВП КН приводят к  колебанию тока нагрузки, а иногда и к возникновению неустойчивого  режима системы автоматического  регулирования температуры.

Колебания амплитуды  и фазы напряжения, вызываемые работой  прокатных станов, вызывают колебания  электромагнитного момента, активной и реактивной мощностей синхронных генераторов блок–станций (ТЭЦ) предприятий; это отрицательно сказывается на экономичности работы станции в целом. Известны случаи возникновения неустойчивой работы системы автоматического регулирования возбуждения и РМ синхронных генераторов и двигателей и даже ложной работы устройства форсировки возбуждения.

Кратковременные КН при применении дуговой электросварки практически  не влияют на качество сварочного шва, что объясняется инерционностью тепловых процессов в металле. Колебания  и отклонения напряжения в сетях, питающих машины контактной сварки, существенно  сказываются на качестве точечной сварки. Как показали исследования, для различного вида свариваемых деталей допустимые амплитуды КН находятся в пределах 3–5 % .

Колебания амплитуды и, в большей  мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателей, механических конструкций, трубопроводной арматуры. В последнем  случае снижается усталостная прочность  металла, сокращается срок его службы. Так, при амплитудах КН с частотой примерно 1 Гц, в 2 раза превышающих допустимые согласно ГОСТ 13109-97, срок службы трубопроводов  вследствие пульсаций напора насоса сокращается на 5–7 %.

 

Лекция 8

 

        Влияние ВГ на работу электроприемников и технологических установок

         При наличии ВГ в СЭС появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется КРМ с помощью БК; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи; имеют место и другие негативные последствия.

Так, при  работе АД в условиях несинусоидального  напряжения его коэффициент мощности и вращающий момент на валу снижаются. Например, если амплитуды 5-й и 7-й  ВГ напряжения составляют соответственно 20 и 15 % амплитуды 1-й гармоники, коэффициент  мощности двигателя уменьшается  на 2,6 % в сравнении со значением  его при синусоидальном напряжении. Практически влияние ВГ на коэффициент  мощности АД можно не учитывать. То же относится и к моментам, развиваемым  ВГ тока. Они не превышают нескольких десятых процента момента, развиваемого при промышленной частоте.

Существенно влияют ВГ на изоляцию электрических  машин и конденсаторов, а также  на измерительные приборы и устройства автоматики. Искажение формы кривой напряжения активизирует возникновение  и протекание ионизационных процессов  в изоляции электрических машин  и трансформаторов. При этом развиваются  местные дефекты в изоляции, что  приводит к увеличению диэлектрических  потерь и сокращению срока службы.

При наличии ВГ в кривой напряжения процесс  старения диэлектрика конденсаторов  протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие  их старение, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием ВГ тока.

Батареи конденсаторов  могут длительно работать при  перегрузке их токами ВГ не более чем  на 30 %; допустимое повышение напряжения составляет 10 %. Однако в этих условиях срок их службы сокращается. В СЭС  промышленных предприятий, как правило, БК могут оказаться в режиме, близком  к резонансу токов на частоте  какой-либо из ВГ; вследствие перегрузок они выходят из строя.

Учет  электроэнергии при несинусоидальных режимах в ряде случаев сопряжен со значительными погрешностями, которые зависят от места установки счетчика (на линейной или нелинейной нагрузке), измерительной системы счетчика, его частотной характеристики и других факторов.

При измерении  мощности нелинейной нагрузки Р_нл имеют место два встречных потока мощности: основной частоты Р₁ и мощности искажения на частотах ВГ, оцениваемый как . Наличие мощности искажения обусловлено генерированием ВГ нелинейной нагрузкой. Следовательно, измеряемая мощность нелинейной и линейной нагрузок

   ;                     (8.1)

   .        (8.2)

Вводя коэффициент  , который характеризует результирующую погрешность, обусловленную несинусоидальностью: для линейной и нелинейной нагрузок можно записать:

;

,

где  ;  – частотная погрешность счетчика на частоте n-й гармоники.

Приведенные выражения, в силу нелинейности АЧХ  индукционного счетчика, имеют иллюстративный характер. Нелинейные преобразования на частотах ВГ зависят не только от амплитуд токов и напряжений и  их фаз, но и от номеров ВГ и последовательностей, которые они образуют.

Однако весьма важный качественный результат может  быть получен.

Частотная характеристика погрешности индукционного счетчика на частоте  n-й гармоники (рис. 1.10) аппроксимируется известным выражением

 

Рис. 8.1- Частотная характеристика индукционного счетчика

 

,

где a = 0,92;  b = 0,19.

Из приведенных  выше выражений для  и анализа частотной характеристики счетчика следует, что при линейных нагрузках оказывается g_S < 0, т.е. имеет место недоучет электроэнергии. При нелинейных нагрузках g_S > 0, т.е. происходит переучет электроэнергии, т.е. нелинейный потребитель как бы наказывается за генерирование ВГ в сеть и создаваемые ими добавочные потери. Баланса между этими величинами, полученными в результате измерения индукционными счетчиками, нет, что в ряде случаев приводит к возникновению недоразумений между энергоснабжающими организациями и потребителями при расчетах за электроэнергию. Так, счетчики, установленные со стороны ВН или НН трансформатора подстанции, имеют малую частотную погрешность вследствие малых искажений напряжения и тока, в особенности в случае применения на подстанции ФКУ. Расход активной энергии, учтенный ими, будет меньше суммарного, определенного по показаниям счетчиков нелинейных нагрузок.

Воздействие ВГ на СИФУ преобразователя  может привести к возникновению  так называемой гармонической неустойчивости, заключающейся в появлении на шинах многопульсного ВП большого напряжения четной гармоники или кратной  трем. Искажения кривой напряжения сети могут быть столь большими, что в инверторном режиме ВП появятся нарушения коммутации; работа СИФУ также может оказаться неустойчивой.

Гармоническая неустойчивость может возникнуть при  подключении ВП к ЭС, мощность КЗ которой соизмерима с мощностью  ВП, в случае, если имеются другие источники ВГ (например, силовые  трансформаторы), и асимметрия управляющих  импульсов СИФУ. Следствием этой  асимметрии является возникновение в спектре тока преобразователя четных и кратных трем ВГ; усиление их при наличии указанных выше условий и приводит к гармонической неустойчивости.