Режимы работы систем электроснабжения промышленных предприятий

Провал напряжения

Провалом напряжения называют резкое его снижение с последующим восстановлением за период времени, не меньший 10 мс. Причины появления провалов напряжения связаны в основном с различными авариями в электрических сетях энергосистемы или системах электроснабжения потребителей. После включения резервных источников электроэнергии напряжение восстанавливается. В соответствии со статистическими данными, среднее количество провалов напряжения, возникающих у потребителя за год, равно 12. Характер изменения напряжения при его провале отражен на рис. 2.21.

U

U Н

t

Δ tn

t К

t Н

U min

 

Рис. 2.21. Провал напряжения:

  U _Н – действующее значение номинального напряжения; U _min – действующее значение минимального напряжения при провале; t _н, t _К – моменты времени начала и конца провала

Величина провала напряжения характеризуется некоторыми параметрами.

1. Длительность провала напряжения, измеряемая в секундах:

.                               (2.78)

Предельно допустимое значение длительности провала напряжения для электрических сетей напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Продолжительность автоматически уcтраняемого провала напряжения для любой точки сети определяется выдержками времени релейных защит и устройств автоматики. В условиях проектирования D t_n рассчитывается суммированием выдержек времени релейной защиты, автоматики, защитно-коммутационных аппаратов, собственного времени отключения и включения коммутационных аппаратов в электрических сетях энергоснабжающих предприятий и системах электроснабжения потребителей.

2. Глубина провала напряжения d U_n %:

.              (2.79)

Предельно допустимое значение d U_n определяется индивидуальными свойствами ПЭ и не нормируется стандартом.

3. Частость появления провалов напряжения F_n, которая представляет собой количество провалов напряжения определенной глубины и длительности за период времени наблюдения по отношению к общему количеству провалов за этот период времени:

,                       (2.80)

где  – количество провалов напряжения глубиной d U_n и длительностью D t_n появившихся за период времени Т; М – общее количество разных по величине и длительности провалов напряжения за время Т.

Этот параметр удобно использовать для статистической обработки информации о провалах напряжения. С этой целью необходимо задаться d U_n и D t_n, выбрать из статистического ряда соответствующее количество  и определить F_n.

Негативное действие провалов напряжения на ЭП и ПЭ аналогично действию отклонений и колебаний. Степень этого действия зависит от инерционности конкретных ЭП, поэтому защитные мероприятия подбираются индивидуально.

Импульс напряжения

Изменения напряжения считаются импульсными, если наблюдается резкое его изменение с последующим восстановлением до первоначального или близкого к нему значения за промежуток времени, не превышающий несколько миллисекунд. Если учесть, что период времени, соответствующий частоте 50 Гц, равен 200 мс, то импульсные изменения напряжения происходят в пределах одного полупериода. Появление импульсов напряжения, как правило, связано с работой вентильных блоков выпрямителей или преобразователей и отключением силовых цепей быстродействующими коммутационными аппаратами.

Импульсы напряжения характеризуются импульсным напряжением U _имп, которое принимается равным наибольшему мгновенному значению напряжения при резком его изменении (рис. 2.22). Продолжительность фронта импульса не должна превышать 5 мс.

                            100 мс

                   а                                                    б

Рис. 2.22. Импульс напряжения:

а – кривая с импульсным напряжением; б – импульс напряжения; U _а – амплитуда напряжения; t _Н, t _К – моменты появления начала и конца импульса; Δ t _имп – продолжительность импульса

Кроме U _имп, импульс напряжения характеризуется еще двумя показателями: амплитудой импульсного напряжения U _имп.а и длительностью импульса напряжения по уровню половины его амплитуды D t _имп.0,5. Величина U _имп.а определяется непосредственным измерением по кривой напряжения, а D t _имп.0,5 можно вычислить по формуле:

,                   (2.81)

где t _{k 0,5}, t _{н 0,5} – моменты времени соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной по половине амплитуды импульса. Момент появления импульса напряжения и его параметры во многом случайны. Для защиты чувствительных к нему ЭП предусматривается индивидуальная установка специальных фильтров.

Временное перенапряжение

Под временным перенапряжением понимается повышение напряжения в контролируемой точке до уровня, превышающего 1,1× U _н продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 2.23).

                                       0,04 с

 

                                   t _{н пер}                      t _{к пер}

Рис. 2.23. Временное перенапряжение

Временные перенапряжения характеризуются коэффициентом временного перенапряжения K _{пер. U} и длительностью временного перенапряжения D t _{пер. U}:

,                       (2.82)

где  – наибольшее из измеренных амплитудных значений напряжения. С целью исключения влияния коммутационного импульса величину U_{a max} измеряют через 0,04 с от момента возникновения перенапряжения (см. рис. 2.23); U _Н – амплитудное значение номинального напряжения

,                     (2.83)

где ,  – моменты конца и начала перенапряжения.

В среднем за год в точке присоединения потребителя возможны около 30 временных перенапряжений. При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень этих перенапряжений при наличии существенной несимметрии нагрузок может достигать значений линейного напряжения, а длительность – нескольких часов. Защита от временных перенапряжений предусматривается индивидуально с учетом особенностей ЭП и ПЭ.

 

Нейтраль компенсирована

Токи замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью могут превышать допустимые значения. В этих случаях для предотвращения появления стабильной дуги в месте замыкания нейтраль сети соединяется с землей двумя способами:

1) через токоограничивающие резисторы (рис. 3.7).

                                  а                                                                       б

Рис. 3.7. Схема замещения (а) и эквивалентная схема (б) сети с токо­ограничивающим резистором  в нейтрали

Величина  зависит от степени смещения нейтральной точки сети при замыкании на землю фазы С.

2) токоограничивающие реакторы (рис. 3.8).

                                             а                                                             б

Рис. 3.8. Схема замещения (а) и эквивалентная схема (б) сети
с токоограничивающим реактором  в нейтрали (компенсированная нейтраль)

Наличие индуктивности в цепи емкостного тока замыкания фазы на землю позволяет уменьшить величину последнего за счет компенсации. Векторная диаграмма, поясняющая принцип действия компенсации емкостью тока замыкания на землю, изображена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Векторная диаграмма компенсации тока замыкания на землю с помощью токоограничивающего реактора

Величина тока через реактор определяется с помощью (3.8):

,                           (3.8)

где  – ЭДС фазы источника электроэнергии, в которой произошло замыкание на землю (для рассматриваемого примера – фаза С);  – полное сопротивление реактора;  – полное сопротивление фазы источника (силового трансформатора питающей ТП);  – полное сопротивление линии электропередачи от источника до места замыкания.

Для этого класса сетей можно не учитывать активные сопротивления реактора, источника (трансформатора) и линии электропередачи при определении  с помощью (3.8).

Ток замыкания () с учетом компенсации определяется по формуле:

.                             (3.9)

При использовании управляемого реактора удается достичь полной компенсации, когда .

Электрические сети с нейтралью, заземленной через токо­ограничивающий резистор, и с комбинированной нейтралью имеют несколько преимуществ перед сетями с изолированной нейтралью:

1) уменьшается ток замыкания на землю;

2) снижается скорость изменения тока в цепи замыкания в связи с возрастанием постоянной времени цепи, что исключает появление перемежающейся дуги, снижает возможность перенапряжения и уменьшает вероятность перерастания замыкания на землю в короткое замыкание;

3) уменьшается величина токов обратной последовательности фаз, так как происходит неполное смещение нейтрали.

Сети с изолированной и компенсированной нейтралями относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю.

 

Нейтраль глухо заземлена

Замыкание фазы на землю в цепях с глухо заземленной нейтралью является аварийным режимом, сопровождаемым большим током – током однофазного КЗ.

Такой режим нейтрали применяется для электрических сетей:

1) напряжением 110 кВ и выше (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема замещения сети с глухозаземленной нейтралью
при номинальном напряжении 110 кВ и выше

Эти сети должны иметь устройства заземления нейтрали и защиту от однофазных КЗ, что является причиной их удорожания относительно сетей с изолированной нейтралью. Вместе с этим, уменьшается стоимость их изоляции, поскольку она должна быть рассчитана только на фазное напряжение. Для ограничения токов однофазных КЗ в электрическую цепь заземления нейтрали включают специальные токоограничивающие резисторы;

2) напряжением ниже 1000 В.

В соответствии с международной классификацией существуют пять видов трехфазных сетей переменного тока [5]:

а) IT – нейтраль сети изолирована (ISOLE), корпусы электрооборудования соединены с заземляющим контуром (TERRE) (рис. 3.11);

Рис. 3.11. Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:

PE – защитный проводник (PROTECTION ELECTRIC)

б) TT – нейтраль сети и корпусы электрооборудования соединены с заземляющим контуром (рис. 3.12);

Рис. 3.12. Трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью

в) TN- C – нейтраль сети заземлена, корпусы электрооборудования заземлены через нейтральный проводник N, совмещены (COMBINE) рабочий и защитный нейтральные проводники PEN (рис. 3.13);

 

Рис. 3.13. Четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью
и использованием нейтрального проводника N для   зануления
корпусов электрооборудования

г) TN- S – нейтраль сети заземлена, отдельно (SEPARETE) существуют рабочий N и защитный PE проводники(рис. 3.14);

Рис. 3.14. Пятипроводная сеть с глухозаземленной нейтралью
и раздельно существующими рабочим и защитным нейтральными
проводниками

д) TN- C- S – нейтраль сети заземлена, совместно существуют рабочий и защитный нейтральные проводники (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Четырех-пятипроводная сеть c глухозаземленной
нейтралью и защитными проводниками

Электрические сети типа IT и TT применяют в тех случаях, когда отсутствуют однофазные электроприемники. Сети типа ТТ более эффективны, чем IT,по условиям обеспечения защиты (защитное заземление и защитное отключение по току утечки). Сети TN- C имеют ограниченное применение в связи с их малой надежностью обеспечения защитных мероприятий. Наиболее широко применяются сети типа TN- S и TN- C- S.

СПИСОК литературы

1. Мукосеев Ю. А. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1973.

2. Правила устройства электроустановок / Госэнергонадзор РФ. – СПб: ДЕАН, 2001.

3. Иванов В. С., Соколов В. М. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Стрельников Н. А. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебное пособие. – Новосибирск: издательство НГТУ, 1998. – Ч. 1.

5. Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных установок. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Руководство по технико-экономическому анализу надежности электроснабжения: 12749/ЛО «ВНИИ проектэлектромонтаж». – Л.: ЛО «ВНИИ проектэлектромонтаж», 1982.

7. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1977.

8. ГОСТ 19109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

9. Федоров А. А., Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1981.

10. Васильев А. А., Крючков И. П., Наяшкова Е. Д., Неклепаев Б. Н., Околович М. Н. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергия, 1980.

11. Жежеленко И. В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. Князевский Б. А., Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Высшая школа, 1986.

13. Казак Н. А., Князевский Б. А., Лазарев С. С., Лившиц Д. С. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.–Л.: Энергия, 1966.

14. Справочник по проектированию электроснабжения / под ред. Ю. Г. Барыбина, Л. Е. Федорова, М. Г. Зименкова, А. Г. Смирнова. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

Провал напряжения

Провалом напряжения называют резкое его снижение с последующим восстановлением за период времени, не меньший 10 мс. Причины появления провалов напряжения связаны в основном с различными авариями в электрических сетях энергосистемы или системах электроснабжения потребителей. После включения резервных источников электроэнергии напряжение восстанавливается. В соответствии со статистическими данными, среднее количество провалов напряжения, возникающих у потребителя за год, равно 12. Характер изменения напряжения при его провале отражен на рис. 2.21.

U

U Н

t

Δ tn

t К

t Н

U min

 

Рис. 2.21. Провал напряжения:

  U _Н – действующее значение номинального напряжения; U _min – действующее значение минимального напряжения при провале; t _н, t _К – моменты времени начала и конца провала

Величина провала напряжения характеризуется некоторыми параметрами.

1. Длительность провала напряжения, измеряемая в секундах:

.                               (2.78)

Предельно допустимое значение длительности провала напряжения для электрических сетей напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Продолжительность автоматически уcтраняемого провала напряжения для любой точки сети определяется выдержками времени релейных защит и устройств автоматики. В условиях проектирования D t_n рассчитывается суммированием выдержек времени релейной защиты, автоматики, защитно-коммутационных аппаратов, собственного времени отключения и включения коммутационных аппаратов в электрических сетях энергоснабжающих предприятий и системах электроснабжения потребителей.

2. Глубина провала напряжения d U_n %:

.              (2.79)

Предельно допустимое значение d U_n определяется индивидуальными свойствами ПЭ и не нормируется стандартом.

3. Частость появления провалов напряжения F_n, которая представляет собой количество провалов напряжения определенной глубины и длительности за период времени наблюдения по отношению к общему количеству провалов за этот период времени:

,                       (2.80)

где  – количество провалов напряжения глубиной d U_n и длительностью D t_n появившихся за период времени Т; М – общее количество разных по величине и длительности провалов напряжения за время Т.

Этот параметр удобно использовать для статистической обработки информации о провалах напряжения. С этой целью необходимо задаться d U_n и D t_n, выбрать из статистического ряда соответствующее количество  и определить F_n.

Негативное действие провалов напряжения на ЭП и ПЭ аналогично действию отклонений и колебаний. Степень этого действия зависит от инерционности конкретных ЭП, поэтому защитные мероприятия подбираются индивидуально.

Импульс напряжения

Изменения напряжения считаются импульсными, если наблюдается резкое его изменение с последующим восстановлением до первоначального или близкого к нему значения за промежуток времени, не превышающий несколько миллисекунд. Если учесть, что период времени, соответствующий частоте 50 Гц, равен 200 мс, то импульсные изменения напряжения происходят в пределах одного полупериода. Появление импульсов напряжения, как правило, связано с работой вентильных блоков выпрямителей или преобразователей и отключением силовых цепей быстродействующими коммутационными аппаратами.

Импульсы напряжения характеризуются импульсным напряжением U _имп, которое принимается равным наибольшему мгновенному значению напряжения при резком его изменении (рис. 2.22). Продолжительность фронта импульса не должна превышать 5 мс.

                            100 мс

                   а                                                    б

Рис. 2.22. Импульс напряжения:

а – кривая с импульсным напряжением; б – импульс напряжения; U _а – амплитуда напряжения; t _Н, t _К – моменты появления начала и конца импульса; Δ t _имп – продолжительность импульса

Кроме U _имп, импульс напряжения характеризуется еще двумя показателями: амплитудой импульсного напряжения U _имп.а и длительностью импульса напряжения по уровню половины его амплитуды D t _имп.0,5. Величина U _имп.а определяется непосредственным измерением по кривой напряжения, а D t _имп.0,5 можно вычислить по формуле:

,                   (2.81)

где t _{k 0,5}, t _{н 0,5} – моменты времени соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной по половине амплитуды импульса. Момент появления импульса напряжения и его параметры во многом случайны. Для защиты чувствительных к нему ЭП предусматривается индивидуальная установка специальных фильтров.

Временное перенапряжение

Под временным перенапряжением понимается повышение напряжения в контролируемой точке до уровня, превышающего 1,1× U _н продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 2.23).

                                       0,04 с

 

                                   t _{н пер}                      t _{к пер}

Рис. 2.23. Временное перенапряжение

Временные перенапряжения характеризуются коэффициентом временного перенапряжения K _{пер. U} и длительностью временного перенапряжения D t _{пер. U}:

,                       (2.82)

где  – наибольшее из измеренных амплитудных значений напряжения. С целью исключения влияния коммутационного импульса величину U_{a max} измеряют через 0,04 с от момента возникновения перенапряжения (см. рис. 2.23); U _Н – амплитудное значение номинального напряжения

,                     (2.83)

где ,  – моменты конца и начала перенапряжения.

В среднем за год в точке присоединения потребителя возможны около 30 временных перенапряжений. При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень этих перенапряжений при наличии существенной несимметрии нагрузок может достигать значений линейного напряжения, а длительность – нескольких часов. Защита от временных перенапряжений предусматривается индивидуально с учетом особенностей ЭП и ПЭ.

 

Режимы работы систем электроснабжения промышленных предприятий

3.1. Понятия и общие сведения
о режимах работы СЭП

Под режимом работы СЭП понимается ее состояние, которое характеризуется соответствующими параметрами: величиной нагрузки в узлах сети СЭП и характером ее изменения, загрузкой элементов СЭП, уровнем напряжения в сети, отклонениями и колебаниями напряжения в узлах нагрузки, несимметрией нагрузки по фазам, несинусоидальностью напряжения, провалами и временными импульсными перенапряжениями, видом соединения нейтрали с заземляющим контуром или отсутствием этого соединения, уровнем надежности СЭП и т.д.

Для более общей характеристики состояния СЭП используют три основных вида режимов, которые можно описать на примере работы двухтрансформаторной цеховой ТП.

1. Нормальный (рабочий, штатный) режим (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Нормальный режим работы ТП:

I ₁ = I ₂ – токи нагрузки первой и второй секций; T ₁, T ₂ – силовые трансформаторы; QF ₁, QF ₂ – вводные автоматические выключатели в РУ-0,4 кВ; QF ₃ – секционный автоматический выключатель

В этом режиме QF ₁ и QF ₂ включены, а QF ₃ отключен. Каждый из трансформаторов работает на свою секцию сборных шин.

2. Временно допустимый (послеаварийный) режим – параметры или их часть выходят за допустимые пределы, сохраняется работоспособность, отклонения параметров не приводят к существенному ущербу. Для рассматриваемого примера такой режим наступает после отказа одного из источников, например Т ₁ (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Временно допустимый режим работы ТП:

QF ₁ – отключен; QF ₂, QF ₃ – включены

3. Аварийный режим – параметры существенно превышают допустимые значения, что может привести к появлению большого ущерба. Аварийные режимы, как правило, весьма кратковременны, а их появление связано с различными повреждениями СЭП. Ущерб от аварийного режима определяется характером повреждения. Для ТП аварийный режим наступает при коротком замыкании в любой из точек схемы. Короткое замыкание приводит к повреждению электрооборудования ТП. Стоимость замещаемого оборудования и ремонтных работ составляет величину ущерба. Кроме этого, в состав ущерба может входить составляющая, связанная с недоотпуском продукции в результате недополучения электроэнергии [6].

Каждый из рассмотренных выше режимов характеризуется еще и другими параметрами, выраженными с помощью электрических или неэлектрических величин. Часть электрических параметров, характеризующих режимы работы, описана в начале этого раздела. К числу неэлектрических параметров относятся: электродинамические силы, действующие на элементы СЭП при коротком замыкании; давление масла в корпусе трансформатора; коммутационный ресурс электрических аппаратов и т.д.