Технические средства и меры повышения показателей качества электроэнергии

 

Снижение отклонений напряжения. Снижение достигается регулированием напряжения. Под регулированием напряжения понимается процесс изменения его уровней в характерных точках системы электроснабжения с помощью специальных технических средств. Применяются следующие методы и способы регулирования:

а) регулирование напряжения в центре питания (ЦП);

б) изменение сопротивлений элементов сети;

в) перераспределение потоков реактивной мощности;

г) изменение коэффициентов трансформации трансформаторов, регулируемых под нагрузкой (РПН) или переключением без возбуждения (ПБВ) – при отключении всех обмоток от сети.

Централизованное регулирование напряжения производится:

а) на электростанциях путем изменения тока возбуждения генераторов;

б) на трансформаторных подстанциях путем изменения коэффициента трансформации трансформаторов или с помощью синхронных компенсаторов.

Если в процессе регулирования режим напряжения изменяется только в части системы электроснабжения, то такое регулирование считается местным. Местное регулирование напряжения подразделяют на групповое и индивидуальное. Групповое регулирование осуществляется для группы электроприемников, например, с помощью ПБВ цехового трансформатора.

Индивидуальное регулирование осуществляется у отдельных электроприемников, например, для печи сопротивления, многошпиндельного станка.

Регулирование напряжения путем изменения сопротивления элементов сети используется при продольной компенсации в линиях электропередач.

Ограничение колебаний напряжения. Для улучшения показателей качества электроэнергии при подключении ЭП целесообразно рациональное разделение спокойной и специфической нагрузок. Это можно обеспечить:

а) выполнение отдельных глубоких вводов к цехам с резкопеременной и несинусоидальной нагрузкой;

б) применением трансформаторов с расщепленными вторичными обмотками и со сдвоенными реакторами;

в) разделением в цеховых сетях осветительной и силовой резкопеременной нагрузок.

Снижение несимметрии напряжения. Наиболее простым и эффективным методом симметрирования является равномерное распределение однофазных нагрузок по фазам.

В сетях с напряжением до 1 кВ несимметрия может быть снижена путем замены силовых трансформаторов со схемой соединения обмоток звезда-звезда с нулем на трансформаторы со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с нулем. В этом случае токи нулевой последовательности, кратные трем, замыкаясь в первичной обмотке, уравновешивают систему, и сопротивление нулевой последовательности резко уменьшается.

Несимметрию напряжений можно снизить применением не управляемых и управляемых симметрирующих устройств. Различают групповой, индивидуальный и комбинированный способы симметрирования. Широко применяются индуктивно-емкостные устройства, которые подключаются параллельно с несимметричной нагрузкой.

Симметрирование двух- и трехфазных несимметричных нагрузок с низким коэффициентом мощности осуществляется с помощью батареи конденсаторов с неодинаковыми мощностями фаз.

Снижение несинусоидальности напряжения. Для снижения не-синусоидальности напряжения применяются следующие методы и средства:

а) применяют раздельное питание приемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой и обычных приемников;

б) увеличивают число фаз выпрямления, так как это приводит к исчезновению отдельных высших гармоник выпрямительных агрегатов;

в) применяют фильтры высших гармоник (ряд звеньев, содержащих последовательно соединенные индуктивности и емкости, каждое из которых настроено на резонанс для определенной гармоники).

Фильтр высших гармоник одновременно может являться источником реактивной мощности и служить средством компенсации реактивных нагрузок.

 

Надежность электроснабжения

 

10.1 Основные определения

 

Каждый элемент системы электроснабжения должен обеспечивать бесперебойное (надёжное) электроснабжение электроприёмников.

Надёжность электроснабжения – способность системы электроснабжения в части обеспечения электроэнергией электроприёмников (потребителей) нормированного качества и бесперебойного обеспечения электроэнергией в необходимом количестве. Надёжность электроснабжения – комплексное свойство, обладающее единичными свойствами или их сочетанием.

В надёжности технических систем можно выделить основные понятия, относящиеся к объектам, свойствам, состоянию, событиям, процессам.

Объект – предмет определённого назначения, который рассматривается с точки зрения анализа надёжности. Объектами анализа могут быть элементы технических устройств, электрооборудование, электроустановки, система электроснабжения, технологические установки, независимые источники питания, электроприёмники, потребители электроэнергии.

Свойства объектов.

Надёжность объекта – способность объекта выполнять заданные функции в определённом объёме при нормальных условиях эксплуатации. В качестве заданных функций системы электроснабжения понимается бесперебойное электроснабжение потребителей электроэнергии необходимого качества и в необходимом количестве.

Безотказность – способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки.

Долговечность – способность объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе техобслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – приспособленность объекта к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – способность объекта сохранять в заданных пределах значение параметров после транспортирования и (или) хранения, а также в течение хранения.

Бесперебойность по минимуму обеспечения необходимых условий – способность системы электроснабжения в части обеспечения необходимого количества источников питания и времени восстановления питания.

Бесперебойность по максимуму обеспечения необходимых условий – способность системы электроснабжения в части обеспечения электроэнергией электроприёмников (потребителей) в необходимом количестве.

Функция реакции – способность системы электроснабжения реагировать на изменение параметров в системе в зависимости от их значения и продолжительности.

Устойчивость – способность противодействовать различным воздействиям внешней среды и явлениям, протекающим в системе (устойчивость к механическим воздействиям, к токам короткого замыкания и т. д.).

Режимная управляемость – приспособленность системы к управлению, обеспечивающему нормальный режим работы.

Живучесть – способность объекта:

а) противостоять развитию критических отказов из дефектов и повреждений при нормальной эксплуатации;

б) сохранять ограниченную работоспособность при непредусмотренных условиями эксплуатации воздействиях; наличии дефектов или повреждений определённого вида; отказе некоторых элементов.

Безопасность – способность объекта в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни, здоровья людей и окружающей среды.

Состояния объектов.

Рабочее состояние – состояние, при котором объект применяется по назначению.

Нерабочее состояние – состояние, при котором объект не применяется по назначению (при отключении или выводе в ремонт).

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативной и технической документацией.

Неисправное состояние – состояние, при котором объект не соответствует хотя бы одному из установленных требований нормативной и технической документацией.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующие способность выполнять заданные функции, соответствует всем установленным требованиям определяемым нормативной и технической документацией.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором заданные функции, не соответствует установленным требованиям, определяемым нормативной и технической документацией.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

С объектами могут происходить следующие события.

Отказ – событие, при котором нарушается работоспособное состояние объекта.

Повреждение – событие, при котором нарушается исправное состояние при сохранении работоспособного состояния объекта. Термин употребляется применительно к объектам, находящимся в рабочем состоянии. Если объект находится в нерабочем состоянии, то применяется термин «дефект».

Временные понятия.

Наработка – продолжительность работы объекта или количество операций, характеризующих функционирование объекта. Наработка может принимать непрерывные значения (продолжительность работы в часах), так и целочисленные значения (число рабочих циклов, запусков и т. п.).

Наработка до отказа – наработка объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.

Время восстановления – продолжительность восстановления работоспособного состояния объекта.

Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции. По истечении срока сохраняемости объект должен соответствовать требованиям безотказности, долговечности и ремонтопригодности, установленным нормативной и технической документацией на объект.

Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние. Аналогично вводятся понятия остаточной наработки до отказа, остаточного срока службы и остаточного срока хранения.

Процессы объектов.

Отключение – перевод объекта из рабочего состояния в нерабочее.

Преднамеренное отключение – отключение, намеченное и выполненное обслуживающим персоналом.

Оперативное переключение – изменение схемы или режима работы объекта, выполняемое оперативным персоналом.

Восстановление – событие, заключающееся в переводе объекта из неработоспособного состояния в работоспособное.

Обслуживание – совокупность мер, предпринимаемых для сохранения или восстановления работоспособности объекта.

Ремонт – совокупность мер, предпринимаемых с целью восстановления работоспособного состояния объекта.

Включение – перевод объекта из нерабочего состояния в рабочее.

Старение – процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, под влиянием факторов, независимых от режима работы объекта.

Износ – процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта под влиянием факторов, зависимых от режима работы объекта.

 

Виды отказов

 

Работоспособность устройств, системы определяется совокупностью заданных параметров, характеристик и допустимыми пределами их изменений – допусками. На рисунке 10.1 показаны изменения параметра П во времени и границы его изменения, при которых гарантируется работоспособность электрооборудования. Параметр П может представлять собой характеристику напряжения, тока и т. д. Если изменяемый во времени параметр будет выходить за допустимые границы изменений, а его допуски будут превосходить установленные значения, наступает повреждение или отказ.

Рис. 10.1. Изменение параметра П во времени:

(ΔП−), (ΔП+) – допустимые отклонения показателя и соответственно отрицательный, положительный допуски показателя; Пн – номинальное значение показателя.

 

Отказы, возникающие в условиях эксплуатации, можно разделить на:

а) полные и частичные (при частичных отказах электротехническое устройство теряет частично свою работоспособность);

б) внезапные и постепенные (постепенные отказы характеризуются посте пенным изменением и выходом за заданную границу одного или нескольких параметров; при внезапных отказах изменение параметра протекает с большой скоростью);

в) независимые и зависимые (зависимые отказы зависят от отказов других устройств);

г) устойчивые и неустойчивые (сбои – самоустраняющиеся отказы, приводящие к кратковременному нарушению работоспособности).

В электрооборудовании, функционирующем не постоянно во времени, отказы могут быть следующих видов:

а) отказ срабатывания;

б) ложное срабатывание.

Примером таких устройств могут быть электрооборудование релейной защиты, выключатели, предохранители и т. п.

Отказы в системе электроснабжения с точки зрения их происхождения можно разделить на два класса:

а) аппаратные – отказы, вызванные неполадками и повреждениями электрооборудования и устройств, входящих в систему электроснабжения;

б) эксплуатационные – отказы, вызванные ошибочными или вынужденными действиями обслуживающего персонала.

К отказам аппаратного класса могут привести:

а) ошибки, допущенные при разработке электротехнических устройств, выборе условий эксплуатации этих устройств;

б) ошибки, допущенные при изготовлении, монтаже, ремонте электрооборудования;

в) отказы, вызванные старением изоляции, износом оборудования;

г) непредвиденные отказы (повреждение электрооборудования и устройств грозой, повреждение линий электропередачи транспортом).

К эксплуатационным отказам можно отнести:

а) отказы, вызванные сложностью СЭС, схем релейных защит и автоматики, структур управления;

б) отказы, обусловленные недостаточной квалификацией обслуживающего персонала;

в) отказы, вызванные воздействием механических и климатических факторов внешней среды, которые не должны были появиться в условиях эксплуатации.

Все отказы, какими бы причинами они не вызывались, носят случайный характер.

Для отдельного электрооборудования и устройств систем электроснабжения можно выделить следующие виды отказов.

Характерные отказы и повреждения на генераторах могут быть следующие:

а) повреждения первичных двигателей;

б) повреждения подшипников, систем охлаждения, нарушение центровки осей валов приводного двигателя и генератора;

в) нарушения в работе устройств возбуждения, форсировки, синхронизации.

Отказами трансформаторов являются:

а) отключения, вызванные повреждениями обмоток;

б) отключения, вызванные повреждениями переключателей и регулировочных устройств, перекрытиями вводов;

в) отключения, вызванные повреждениями смежных элементов;

г) отключения, вызванные ложными действиями защиты и ошибками персонала.

На воздушных линиях электропередачи могут возникнуть как устойчивые повреждения (повреждения опор, проводов, изоляторов), так и неустойчивые (самоустраняющиеся). К самоустраняющимся повреждениям могут быть отнесены кратковременные касания проводов (от ветра, проезжающим автотранспортом). Перерыв в электроснабжении при этом, в результате автоматического отключения, может быть восстановлен путём успешного действия устройств автоматического повторного включения или оперативного ручного включения.

Повреждения воздушных линий могут быть связаны с грозовыми перекрытиями изоляции, гололёдными отложениями, ветровыми нагрузками, вибрацией и пляской проводов, ослаблением прочности деталей опор, возгоранием деревянных опор, внешними воздействиями на провода и опоры линий, короткими замыканиями на линиях.

Возможны повреждения линий также и в нормальных условиях. Причинами таких повреждений могут быть:

а) неправильный выбор проводов, опор, изоляторов при проектировании;

б) скрытые дефекты при изготовлении деталей опор, проводов, изоляторов, линейной арматуры;

в) нарушение правил монтажа и эксплуатации линий;

г) токовые перегрузки на провода.

Все названные повреждения возможны как в системных сетях, так и в сетях предприятий.

Повреждения в кабельных линиях возникают в связи со старением межфазной и поясной изоляции, электролитической и химической коррозией, перегрузкой кабелей, нарушение изоляции грызунами. Наиболее часто возникают механические повреждения кабелей строительными машинами и механизмами при производстве строительных и ремонтных работ.

Повреждаемость кабельных линий зависит от способа прокладки кабелей, от возможности попадания влаги на кабели. Пробой изоляции чаще наблюдается в местах установки соединительных муфт, концевых воронок, чем на целых участках кабеля.

Отказом выключателя является невыполнение им оперативных, защитных и противоаварийных функций, а также повреждения, при которых он должен быть выведен в ремонт. К ним относятся:

а) невозможность отключения короткого замыкания в ячейке выключателя при оперативных коммутациях или в рабочем состоянии;

б) невозможность отключения короткого замыкания в линии;

в) невозможность автоматического или оперативного включения выключателя без короткого замыкания в ячейке или в линии;

г) повреждения выключателя при отключении короткого замыкания;

д) ложные отключения.