Влияние отлконения напряжения на работу приемников электрической энергии. Технические хар-ки приемников электроэнергии по напряжению.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РЕГИЛИРОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ (СД, БК).

Синхронный компенсатор — это синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу. В отличие от генератора он не имеет первичного двигателя. СК не может вырабатывать активную мощность, а для покрытия своих механических и электрических потерь он потребляет энергию из сети. При перевозбуждении СК генерирует реактивную мощность в сеть, а при недовозбуждении становится потребителем реактивной мощности. Регулирование напряжения с помощью СК осуществляется плавно. Синхронные компенсаторы обычно устанавливают на мощных понижающих подстанциях и включают на шины 6 - 10 кВ или подключают к обмотке НН автотрансформатора либо к компенсационной обмотке трансформатора с РПН.
Синхронный двигатель широко используется в качестве электропривода для рабочих механизмов. Потребляя активную мощность, он одновременно может генерировать реактивную мощность (при перевозбуждении) либо потреблять ее (при недовозбуждении). СД позволяет реализовать плавное, автоматическое регулирование напряжения в местной сети. Стоимость СД высокая, но ниже, чем стоимость асинхронного двигателя такой же мощности совместно с компенсирующим устройством, позволяющим получить эквивалентный эффект регулирования напряжения.

Батареи конденсаторов применяют в тех случаях, когда не требуется ее работа в режиме потребления реактивной мощности. Управляемые батареи конденсаторов (УБК) представляют собой группу последовательно и параллельно соединенных конденсаторов для получения требуемой мощности
и для подключения на заданное напряжение. При параллельном подключении УБК к сети реактивная мощность, генерируемая батареей,

где С — емкость конденсаторной батареи. мФ; Uc — напряжение сети, к которой подключена УБК, кВ.
УБК более экономичны, чем СК. Их выполняют на большие мощности (до 100 и более Мвар).

 Батареи конденсаторов устанавливаются на крупных подстанциях и подключаются как на шины 6-35 кВ, так и на шины высокого напряжения 110 кВ. Наличие переключающего устройства батарей конденсаторов дает возможность ступенчатого регулирования напряжения на шинах потребителей, так как позволяет отключать часть параллельно включенных конденсаторов или всю батарею при снижении нагрузки и включать полностью все конденсаторы при ее максимуме.

 

Источники высших гармоник.

Основными источниками высших гармоник в системах электроснабжения промышленных предприятий являются вентильные преобразователи. Существенное влияние на несинусоидальность напряжения сети могут оказывать и установки электросварки, электродуговые печи, газоразрядные источники света. Источниками высших гармоник являются также силовые трансформаторы, двигатели и генераторы при работе их на нелинейной части кривой намагничивания. Однако это оборудование работает обычно в условиях сравнительно невысокого насыщения стали, поэтому создаваемые ими токи высших гармоник относительно невелики и при расчетах нормальных режимов могут не учитываться.

Рассмотрим основные источники высших гармоник.

а) Вентильные преобразователи. Находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрофицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и другие технологические установки. Суммарная номинальная мощность вентильных преобразователей на предприятиях достигает 300 МВт.

В настоящее время известно большое количество схем выпрямле-ния трехфазного тока. Однако для установок большой и средней мощ-ности наибольшее распространение получила трехфазная мостовая схема Ларионова. Разложение кривых первичных (потребляемых из се-ти) токов этой схемы выпрямления на гармонические составляющие показывает, что помимо основной гармоники токи содержат ряд гармо-ник более высоких порядков, номера которых определяются выражени-ем

n=pk±1

где р – число фаз выпрямления; k=1, 2, 3, 4… - последовательный ряд чисел.

На рис. 4.3,в показаны кривые тока трехфазного вентильного пре-образователя с шестью фазами выпрямления. Разложение кривых пер-вичных токов в ряд Фурье показывает, что амплитуды и фазы высших гармоник токов сложным образом зависят от углов коммутации γ и ре-гулирования α преобразователей.

Амплитуды и фазы гармоник вычисляются по формулам (4.2) и (4.4), а коэффициенты ряда Фурье определяются при этом по формулам

Полученные для определения коэффициентов ряда Фурье выра-жения неудобны для инженерных расчетов

При приближенных расчетах спектрального состава первичных токов преобразователей можно воспользоваться более простыми выра-жениями.

Если предположить, что коммутация происходит по прямой линии и кривая переменного тока имеет форму симметричных трапецеидаль-ных блоков (рис. 4.3, б), то

где I₁ – действующее значение 1-й гармоники тока

Формулой рекомендуется пользоваться для приближенного опре-деления амплитуд гармоник n≤19 управляемых вентильных преобразо-вателей при γ≤15⁰.

Фазы гармоник приближенно могут быть определены из выраже-ния

Последняя формула позволяет определять при 10⁰≤α≤40⁰ фазы гармоник номеров ν≤19 с погрешностью, не превышающей 15⁰ при γ≤15⁰.

б) Дуговые электропечи. Получили широкое распространение на современных металлургических и машиностроительных предприятиях. Печи строятся емкостью от 500 кг до сотен тонн с трансформаторами мощностью от 0,4 до 60 МВА в России и до 150 МВА за рубежом. Не-линейность вольт-амперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник. Формы кривых тока печей в большой степени зависят от режима горения дуги в разные периоды плавки. В начальный период расплавления и при подвале скрапа ток печи колеб-лется между токами режимов холостого ходи и металлического корот-кого замыкания. Формы кривых тока в этот период значительно отли-чается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока становятся меньше. Формы кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной.

Относительные значения амплитуд высших гармоник порядков n=6k±1(k=1; 2; 3; 4;…) могут быть приближенно определены по форму-ле:

Величина коэффициента К_δ зависит от отношения амплитуды противо – э.д.с. дуги Е₀ к э.д.с. питающей энергосистемы Е_m и соотно-шения между индуктивным Х_К и активным R_К сопротивлениями в цепи дуги, величины которых определяются сопротивлениями печного трансформатора, короткой сети и питающей энергосистемы.

в) Установки электродуговой сварки. В последние годы на пред-приятиях широкое применения находят сварочные установки, в кото-рых источниками питания являются полупроводниковые выпрямители. Наибольшее распространение в сварочных выпрямителях получила трехфазная мостовая схема выпрямления с неуправляемыми вентилями (сварочные выпрямители серий ВС, ВСС, ВСУ, ВД, ВДМ, ВКС, ВКСУ, ВКСМ). Напряжение питания выпрямителей 380/220 В, потребляемая мощность от 9 до 31 кВА.

Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителя-ми, зависят от режимов работы сварочных установок. В зависимости от величины нагрузки выпрямитель может работать в одном из трех ре-жимов: режиме прерывистых токов при малых нагрузках, которому со-ответствует двухвентильная коммутация (А); режиме смешанной двух- и трехвентильной коммутации при средних нагрузках (В); режиме трехвентильной коммутации при больших нагрузках (С).

Для выпрямителей с пологопадающими внешними характеристи-ками режим С имеет место при I_g≥(0,6÷0,65)I_gk. Для выпрямителей с крутопадающими характеристиками режим С наступает при I_g≥(0,2÷0,3)I_gk. Здесь I_g, I_gk – ток дуги (выпрямленный ток) соответст-венно в рабочем режиме и при коротком замыкании. При инженерных расчетах значения амплитуд гармоник порядков n=6k±1 для режима С могут быть определены по формуле:

г)Тиристорные регуляторы. Тиристорные регуляторы с фазовым регулированием напряжения применяются для регулирования темпера-туры в электропечах сопротивления, для регулирования напряжения, подводимого к электротехническим установкам, для регулирования и стабилизации напряжения в осветительных сетях

Тиристорные регуляторы напряжений РНТО и РНТТ применяются для питания электропечей сопротивления периодического действия (печи садочного типа) и для питания печей непрерывного действия (ме-тодические печи). В электропечах периодического действия диапазон регулирования подводимой мощности составляет от 5% до 95% ее мак-симальной величины, что требует изменения напряжения на нагрузке в пределах 0,07+0,975 U_С. Этому диапазону изменения соответствует диапазон изменения угла регулирования α приблизительно от 40 до 160 градусов для регуляторов типа РНТО и от 30 до 130 градусов для регуляторов типа РНТТ. Амплитуды и фазы токов высших гармоник тиристорных регуляторов при указанных диапазонах изменения угла α предлагается определять по приближенным формулам:

где I_Н – фазный ток нагрузки тиристорного регулятора при α=0 и со-противлении нагревателя R_Н.

 

Отклонение частоты.

Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы:

- нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно.

Частота тока и напряжение в энергосистеме (ЭС) определяется частотой вращения генератора электростанции. Величина частоты стабильна и равна 50 Гц. Для того, чтобы частота поддерживалась на допустмом уровне, необходим резерв мощности в системе.

В момент времени Тmax потребляется максимальная мощность Pmax (рисунок 1) и может возникнуть дефицит мощности в системе, в результате чего частота падает.

Рисунок 1 – Суточный график нагрузки энергосистемы по активной мощности

Для того чтобы пополнить дефицит мощности в СЭС, необходимо иметь резрв мощности в системе или отключить часть потребителей.

Статистика показывает, что 10% мощности промышленных предприятий могут быть обесточены без ущерба для предприятия, до 30% электроприемников (ЭП) можно отключить без нарушения основного технологического процесса. Поэтому при возникновении дефицита мощности ПП позволяют отключать не более 10%.

Наиболее распространенными электроприемниками на промышленных предприятиях являются АД (65%). Учитывая это, проанализируем, как изменение нагрузки потребителей влияет на частоту сети. Предварительно рассмотрим статическую характеристику узла нагрузки, к которому подключены АД.

Рисунок 2 – Статическая характеристика узла нагрузки по частоте.

К статическим характеристикам относятся зависимости мощности, производительности механизмов и т.д. от частоты и напряжения в сети (U, f). На рисунке 2 представлена статическая характеристика по частоте узла нагрузки.

       Если частота сети падает от fном до f1, то активная мощность Р снижается до значения Р1, а реактивная Q возрастает до Q1.

       В результате того, что увеличение потребления реактивной мощности Q больше, чем снижение потребления активной мощности Р, возрастают и перетоки Q, при этом полная мощность S растет, следовательно, растет ток, а потери мощности увеличиваются, что приводит, в свою очередь, к дополнительному росту нагрузки и требует еще большей выработки мощности в энергосистеме.

       Изменение нагрузки может быть не только длительным, но и небольшим, кратковременным. При малых изменениях требуется небольшой резерв мощности, поэтому его можно покрыть за счет внутренних резервов, используя автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) на ЭС.

       Более опасным является режим, при котором мощность в СЭС возрасает значительно и в течение болшого промежутка времени.

       При этом можно применить автоматическое регулирование частоты на всех ЭС. Если этот путь исчерпан, то приходится прибегать к отключению части потребителей с использованием автоматической частотной разгрузки, которая предусматривает отключение электрориемников.

 

 

Импульсные напряжения.

Импульс напряжения – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначально или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд (т.е меньше полупериода). Рис1

Рисунок 1 – Параметры импульсного напряжения

Причины появления: Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить за счет появления высокочастотных импульсов при ударе молнии на объекты и близко расположенные сооружения, а также коммутации различного оборудования (двиг, КБ, транс, ВЛ и КЛ). Поэтому защита от перенапряжений, связанных с атмосферным электричеством, также колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в реактивных элементах или поступающей от внешних источников, имеет важное значение для обеспечения надежной работы элементов сети.

Импульсное напряжение характеризуют следующие величины:

- амплитуда импульса Uимп – максимальное мгновенное значение импульса напряжения.

- длительность импульса – интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня; часто длительность импульса оценивается по уровню 0,5 его амплитуды tимп0,5.

Ипульсное напряжение Uимп в вольтах, киловольтах (рис1) измеряют как максимальное значение напряжения при резком его изменении.

Основной способ защиты – от импульсных напряжений является использование ограничителей перенапряжения на основе металлооксидных соединений.

U ном, кВ	0,38	3	6	10	20	35	110	220
Коммутац импул напр, кВ	4,5	15,5	27	43	85,5	148	363	705

Грозовые перенапряжения: Существует 3 формы импульсов

для точек а, в, г, д

для точек з, з', и

для точек б, е, ж

 

Временные перенапряжения.

Временное перенапряжение – это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях при коротких замыканиях.

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения КперU.

Коэффициент временного перенапряжения КперU – величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинально напряжения сети.

Измерение коэффициента временного перенапряжения КперU в относительных единицах осуществляется след образом:

Измеряют амплитудные значения напряжения Uа в вольах, кВ на каждом полупериоде основной частоты при резком превышении уровня напряжения, равного  .

Определяют максимальное из измеренных в сооветствии с 1) амплитудных значений напряжения Uа max.

С целью исключения влияния коммутационного импульса на значение коэффициента временного перенапряжения определение Uа max осуществляют через 0,04 с от момента превышения напряжением уровня, равного .

Вычисляют коэффициент временного перенапряжения по формуле

Длительность временного перенапряжения в секундах определяется след образом:

Фиксируют момент времени превышения действующим значение напряжения уровня, равного , и момент времени спада напряжения до уровня .

Вычисляют  в секундах по формуле

Нормы ГОСТ

Длительность временного перенапряжения , с	До 1	До 20	До 60
Коэффициент временного перенапряжения	1,47	1,31	1,15

 

 

ПРОВАЛ НАПРЯЖЕНИЯ

Провал напряжения – это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Провалы характеризуются

длительнодлительностью, глубиной и частотой. Однако ГОСТ нормирует только длительность провала: электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно, она не должна превышать 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к эл. сетям определяется выдержками времени РЗиА.

Причина пПричина провала напряжения – перегруз сети, включение больших нагрузок, короткие замыкания в электрических сетях.

ПоследствПоследствия провала напряжения – отключение оборудования, выход из строя оборудования, нарушения технологических процессов.

Для минимизации потерь от провалов напряжения при наличии в качестве потребителей в основном синхронных и асинхронных двигателей достаточно традиционных мер в виде секционирования шин источников питания, применения быстродействующих защит, устройств АПВ и АВР, грозозащиты линий 110 кВ и профилактических мер с целью избегания коротких замыканий в сети. Кроме того, установлено, что величина провалов напряжения зависит от мощности короткого замыкания на данном участке. Поэтому при проектировании сетей и ограничении токов короткого замыкания следует учитывать этот факт и стремиться найти оптимальное значение токов КЗ, которое обеспечит приемлемые габариты электрооборудования и вместе с тем достаточную мощность КЗ для ограничения провалов напряжения.

 

Влияние отлконения напряжения на работу приемников электрической энергии. Технические хар-ки приемников электроэнергии по напряжению.

Каждый приемник эл. Энергии имеет наилучшие технические показатели при номинальном напряжении на его зажимах. Отклонение напряжения от ном. Приводит к изменению технико-экономических показателей приемников эл. Эн.

В настоящее время наиболее распространенными приемниками эл/эн в промышленности являются АД нерегулируемых электроприводов, которые используются для привода самых разнообразных механизмов. В таблице приведены данные, отражающих влияние отклонений напряжения в пределах от -10% до +10% от номинального на характеристики АД.

Характеристика двигателей	Изменение напряжения
	-10%	+10%
Пусковой и максимальный моменты	-19%	+19%
Синхронная скорость вращения	постоянная	Постоянная
Скорость вращения при номинальной нагрузке	-1,5%	+1%
КПД при нагрузке:
Номинальной	+1%	-3%
75%	+2…+3%	-4%
50%	+4…+5%	-5…-6%
Ток ротора при номинальной нагрузке	+14%	-11%
Ток статора при номинальной нагрузке	+10%	-7%
Пусковой ток	-10…-12%	+10…+12%
Температура обмоток при номинальной нагрузке	+5…+6%	Практически не изм.

 

При изменении напряжения сети от номинального активная мощность на валу практически не меняется, изменяются потери в нем, что приводит к увеличению или уменьшению потребляемой эл/эн. В сравнении со случаем работы двигателя с номинальным напряжением. Реактивная мощность двигателя при этом существенно меняется. Для электродвигателей серии А, мощностью 20-100 кВт, повышение напряжения на 1% приводит к росту реактивной мощности на 3%, а для двигателей меньшей мощности на 5…7%.

Значительный убыток промышленным предприятиям наносит сокращение срока слубы АД, работающих с большой нагрузкой и пониженным напряжением. Наивыгоднейшим с точки зрения увеличения срока службы двигателей номинальное напряжение или напряжение выше номинального в пределах предельно допустимого отклонения +10%.

Существенное влияние оказывает отклонение напряжения на протекание электротермических процессов. Снижение напряжения на зажимах неавтоматизированных электрических печей приводит к снижению их мощности и изменению продолжительности тех процесса.

Влияние отклонения напряжения на работу дуговых печей зависит от выбора параметра регулирования. При поддержании постоянными сопротивления дуги и ее длины-мощность печи снижается пропорционально квадрату напряжения; при этом поддержании постоянства тока дуги-пропорционально первой степени напряжения при поддержании постоянства мощности печи происходит увеличение потерь мощности в квадратной зависимости по отношению к снижению напряжения.

Отклонения напряжения могут ухудшать технологический и энергетический режим печей сопротивления и индукционных печей. Из ряда работ, посвященных этому вопрос, следует, что во многих случаях при снижении напряжения на 8..10% технологический процесс нельзя довести до конца.

Отклонение напряжения оказывает влияние и на электрическую сварку. Снижение напряжения ухудшает качество сварных швов. Время сварки при снижении напряжения на 10% удлиняется приблизительно на 10% удлиняется приблизительно на 20% (для прогрева швов). Повышение напряжения приводит к увеличению реактивной мощности сварочного агрегата, причем на холостом ходу при повышении напряжения с 200 до 220В каждому проценту повышения напряжения соответствует увеличение реактивной мощности на 5%, в то время как при нагрузке это повышение составляет около 25%.

Отклонение напряжения существенно влияет на работу осветительных установок. От напряжения зависит световой поток, освещенность, срок службы, потребляемая мощность и КПД осветительных приборов. Так, например, для ламп накаливания повышение напряжения только на 1% сверх номинального вызывает увеличение потребляемой мощности приблизительно на 1,5%, светового потока-на 3…7% и сокращение срока службы ламп на 14%. Увеличение напряжения на 3% сокращает срок службы ламп накаливания на 30%, а повышение напряжения на 5% приводит к сокращению срока службы ламп в 2 раза. Срок службы люминесцентных ламп при повышении напряжения на 10% сокращается на 20-30%. Понижение напряжения ниже номинального-уменьшает ток и световой поток, что отрицательно отражается на освещенности. При снижении напряжения на 20% и более у газоразрядных ламп, в том числе и люминесцентных, зажигание становится невозможным.

Отклонение напряжения оказывает влияние и на приемники электрической энергии других видов.

 

 

5. Задачи анализа уровней напряжения. Инженерная методика расчета уровней напряжения в распределительных сетях.

Под распределительными сетями предприятий понимают сети напряжением 6, 10, 35 кВ, по которым электроэнергия передается от главной понизительной подстанции (ГПП) или центрального распределительного пункта (ЦРП) предприятия к цеховым трансформаторным подстанциям. Питающие сети – это сети внешнего электроснабжения предприятия, по которым электроэнергия поступает от источника питания до ГПП, ЦРП или подстанции глубокого ввода (ПГВ) предприятия.

Исходными данными для расчетов являются:

· однолинейная электрическая схема СЭС;

· сведения об электрических нагрузках;

· параметры элементов СЭС;

· величина напряжения на шинах источника питания.

Расчеты выполняются в следующем поряд-ке.

1. Составляется схема замещения рассматриваемого участка электрической сети. Сопротивления элементов схемы приводятся к од-ному базисному напряжению Uδ. Генерация реактивной мощности ли-ниями электропередач учитывается только для линий, номинальное на-пряжение которых 35 кВ и выше.

 

*ЛЭП

2. Определяется предварительное распределение мощностей по элементам сети.

При этом учитываются мощности нагрузок узлов сети Р+jQ, потери в стали трансформаторов.Рст+.jQст и генерация реактивной мощности линиями напряжением 35 кВ и выше. Расчеты выполняются от низших ступеней электроснабжения к высшим. Мощность, протекающая по участку сети L, определяется непосредственно путем суммирования n нагрузок и потерь в m трансформаторах, получающих питание по дан-ному участку сети.

3. Определяются приближено потери мощности в продольных элементах схемы замещения.

Для L-го элемента потери активной ΔРL и реактивной мощности.QL определяются по формулам

4. Рассчитывается уточненное распределение мощности по эле-ментам сети. При этом уточненное значение мощности, протекающей по L-му участку сети определяется путем суммирования пред-варительно найденной нагрузки этого участка Р/L/LjQР+L+jQL и потерь мощно-сти в продольных элементах схемы замещения, получающих питание от данного участка сети

5. Определяются потери напряжения.U на элементах схемы замещения. Для L-го элемента сети

6. Определяются напряжения в узлах схемы замещения. Для определения напряжения в узле к схеме замещения необходимо из напряжения в узле баланса U0 (на шинах источника питания) вычитаются потери напряжения в элементах схемы замещения, соединяющих источник питания с данным узлом.

где n – число элементов схемы замещения в пути от узла к до узла баланса.

Затем осуществляется переход от базисного напряжения к дейст-вительным напряжениям в узлах сети.

Для оценки качества электроэнергии по показателю отклонения напряжения на шинах ГПП и в узлах сети, к которым подключены электрические нагрузки, определяют установившиеся отклонения напряжения по формуле

где U, Uн – фактическое и номинальное напряжение в узле электриче-ской сети.