Мероприятия по ограничению колебаний напряжения

В первую очередь предусматриваются оптимальные решения схемы электроснабжения с минимальными дополнительными затратами, к числу которых относятся:

• — приближение источников высшего напряжения к электроприемникам с резкопеременной нагрузкой
• — питание резкопеременных и спокойных нагрузок от отдельных трансформаторов
• — соблюдение оптимального уровня мощности к.з. в сетях, питающих электрориемники с резкопеременной нагрузкой в пределах 75 010 000 МВА.

Если эти мероприятия оказываются недостаточными, то предусматриваются специальные устройства и установки для уменьшения размахов изменений напряжения.

Специальные быстродействующие синхронные компенсаторы (СК):

Наиболее эффективным средством для ограничения колебания напряжения является синхронный компенсатор толчковой нагрузки со специальными параметрами, с быстродействующим тиристорным возбуждением, с большой кратностью форсировки возбуждения, работающие в так называемом «режиме слежения» за реактивным током подключенных потребителей электроэнергии. Мощность СК определяют исходя из параметров графика нагрузки объекта, подлежащих компенсации.

Предусматривается регулирование реактивного тока таким образом, чтобы емкостной реактивный ток СК соответствовал реактивной толчковой нагрузке, имеющий индуктивный характер.

Синхронные двигатели :

Для ограничения размахов изменений напряжения при резкопеременных толчковых нагрузках используются также синхронные двигатели (СД) со спокойной нагрузкой, присоединяемые к общим шинам с вентильными преобразователями. При этом СД должны иметь необходимую располагаемую мощность, быстродействующее возбуждение (тиристорное)с высоким потолком форсировки и быстродействующий автоматический регулятор возбуждения.

Отклонения и колебания частоты

Нарушение баланса между мощностью, вырабатываемой генератором электростанции или энергосистемы, и мощностью требуемой промышленными предприятиями, приводит к изменению частоты тока электросети.

Основной причиной возникновения колебаний частоты являются мощные приемники электроэнергии с резкопеременной активной нагрузкой (тиристорные преобразователи главных приводов прокатных станов). Активная мощность этих приемников изменяется от нуля до максимального значения за время менее 0,1с, вследствие чего колебания частоты могут достигать больших значений.

Изменения частоты даже в небольших пределах влияют на работу электросетей и приемников электроэнергии. Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напряжения в электросетях и к недовыработке продукции. Влияние снижения частоты на потребляемую мощность электроприемников различно:

• 1) потребляемая мощность приемниками электроосвещения, электропечами сопротивления и дуговыми электропечами практически незначительно зависит от частоты;
• 2) мощность забираемая механизмами с постоянным моментом на валу (металлорежущие станки, поршневые насосы, компрессоры и др.), пропорциональна частоте;
• 3) потери мощности в сети пропорционально квадрату частоты;
• 4) потребляемая механизмами с вентиляторным моментом сопротивления (центробежные насосы, вентиляторы, дымососы и др.) мощность пропорциональна частоте в третьей степени;
• 5) у центробежных насосов, работающих на сеть с большим статическим напором (противодавлением), например у питательных насосов котельных, потребляемая мощность пропорциональна частоте в степени выше третьей.

Изменение частоты существенно влияет на работу приборов и аппаратов применяемых в телевидении, вычислительной технике.

Разгрузка энергосистемы при образовавшемся недостатке мощности осуществляется устройствами автоматической частотной разгрузки (АЧР) или вручную персоналом энергосистемы путем отключения потребителей по питающим линиям (трансформаторам) по специально разработанному так называемому аварийному графику (АГ). Устройства АЧР предназначены для разгрузки энергосистемы при авариях, вызывающий большой дефицит мощности. Величина АЧР принимается не менее 50% нагрузки энергосистемы с разбивкой на очереди с различными объемами разгрузки и различными установками автоматов по частоте и выдержке времени.

Разгрузка энергосистемы персоналом вручную по аварийному графику (АГ) применяется также в случае возникновения дефицита мощности из-за аварии. График АГ разрабатывается в размере 15% нагрузки системы с разбивкой на очереди по мощности.

Частотная разгрузка применяется совместно с частотным автоматическим повторным включением (ЧАПВ), восстанавливающим электроснабжение отключенных потребителей.

Устройства АВР используются на предприятиях без учета общих интересов электроснабжения потребителей при возникающих дефицитах мощности в энергосистеме. Резервирование потребителями отключенной АЧР нагрузки с помощью АВР на оставленные в работе линии снижает эффективность АЧР, что может привести к развитию аварии в энергосистеме.

Правильное использование АВР в сетях потребителей может быть обеспечено за счет рационального размещения АВР и согласования действия АВР с действиями АЧР.

На рис показаны основные принципы выбора и размещения АВР и АЧР в наиболее простых схемах эл. Снабжения.

а) при электроснабжении от одного питающего центра.

ОН б) от питающего центра и распределительной сети ПЦ — питающий центр;

ПП — п/ст потребления;

ОН — ответственные нагрузки.

Для первого рис. АВР необходимо устанавливать одностороннего действия только для резервирования ответственных нагрузок линии 1. Под АЧР можно поставить линии 2и3.

При таком размещении АВР обеспечивается резервирование ответственных нагрузок потребителя при аварийном отключении линии 1 и реальное снятие нагрузки по линиям 2 и 3 при работе АЧР.

Для второго случая (рис б) АВР может быть двустороннего действия, если во-первых, пропускная способность линии 2 позволяет резервировать соответствующую нагрузку распределительной сети и, во-вторых, питающие РП линии не поставлены в свою очередь под АЧР.

Не синусоидальность формы кривой напряжения и тока

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. K их числу относятся тиристорные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы и др. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы.

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие при этом экономические ущербы обусловлены главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращение срока службы электрооборудования.

Основной круг вопросов, составляющих содержание проблемы несинусоидальности, сводится к следующим:

• — оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок;
• — количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электросетях.
• — снижение уровней высших гармоник

Известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию f (t) с периодом 2, удовлетворяющую условию Дирихле можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармониками.

Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ю называются высшими гармониками.

Согласно теореме Фурье, мгновенное значение функции f (t) может быть представлено тригонометрическим рядом.

где А₀ — постоянная составляющая;

— номер гармоники;

а, b — коэффициенты ряда Фурье;

n — номер последней из учитываемых гармоник.

Коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам:

Амплитудуй гармоники определяют из выражения, а начальную фазуй гармоники.

Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

Основные источники высших гармоник

Вентильные преобразователи:

Полупроводниковые преобразовательные устройства 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, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и др. технологические установки.

На промышленных предприятиях наибольшее применение получили трехфазные мостовые схемы. Эти схемы являются также основой для построения более сложных схем многомостовых преобразователей.

Для мостового преобразователя кривая сетевого тока при соединении первичной обмотки трансформатора преобразователя в звезду имеет вид, показанный на рис.

Форма кривой зависит от угла управления, задаваемого системой импульсно-фазового управления, и угла коммутации .

Дуговые сталеплавильные электропечи:

Нелинейность 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 ток печи колеблется между токами режима холостого хода и короткого замыкания, форма кривых токов значительно отличается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока сравнительно меньше. Форма кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной.

В сравнении с вентильными преобразователями той же мощности уровни гармоник, генерируемых дуговыми печами, оказываются в 34 раза меньше. Сказанное относится к периоду расплавления, поэтому для практических целей важно знать уровни гармоник для периода расплаления.

Дуговые вакуумные печи: получают питание от вентильных преобразователей, которые коммутируются по 6-фазной схеме с уравнительным реактором. Кривая сетевого тока оказывается такой же, как и мостовых преобразователей электроприводов. Уровень анормальных гармоник тока оказывается весьма значительнее (I₂8%, I₃6%).

Однофазные печи электрошлакового переплава: являются практически линейной нагрузкой, поскольку переплав электрода осуществляется за счет нагрева слитка в слое расплавленного электропроводного шлака.

Рудотермические печи: работают с шунтированной дугой, благодаря этому нелинейность дуги практически не проявляется. Содержание высших гармоник в токе печей незначительно; уровни 2,3 и 5-й гармоник тока не превышают 11,5%, остальные гармоники оказываются намного меньше.

Установки электродуговой и контактной сварки: Для установок электродуговой сварки в качестве источника питания используются полупроводниковые выпрямители. Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителями, различны для отдельных режимов работы сварочных установок.

В зависимости от нагрузки выпрямитель может работать в одном из трех режимов: режиме прерывистых токов при малых нагрузках, которому соответствует двухвентильная коммутация А; средних нагрузках В; режиме трехвентильной коммутации при больших нагрузках С.

Режим, А практического значения не имеет. В режиме В уровни 5-й и 7-й гармоник тока оказываются весьма нестабильными. Уровень высших гармоник тока в режиме С значительно ниже, чем в режиме В.

Установки контактной электросварки: включаются в сеть с помощью тиристорных ключей. Для плавного регулирования сварочного тока вентильные устройства снабжаются системами фазового регулирования. Применение фазового регулирования приводит к искажению формы тока, потребляемого сварочными машинами. Определяющими гармониками при разложении тока являются 1,3 и 5-я. Кроме нечетных гармоник присутствуют также четные гармоники. Появление четных гармоник объясняется разбросом углов регулирования вентилей. Влияние четных высших гармоник на несинусоидальность токов сварочных машин невелико.

Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий нежелательны по ряду причин: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и вязи.

При работе асинхронного двигателя в условиях несинусоидального напряжения немного снижается его коэффициент мощности и вращающий момент на валу.

Искажение формы кривой напряжения заметно сказывается на возникновении и протекании ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация зарядов связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик; в результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению её электропрочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете к сокращению срока службы.

Наиболее ощутимое влияние высших гармоник оказывает на работу батарей конденсаторов. Конденсаторы работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка и токами высших гармоник, которая возникает, как правило, при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармоник.

В соответствии с ГОСТ батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более на 30%; однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы сокращается.

При несинусоидальном режиме сети происходит ускорение старения изоляции силовых кабелей. Исследования кабелей работающих при синусоидальном и при уровне высших гармоник в кривой напряжения в пределах 68,5% показали, что токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36%, через 3,5 года — на 43% больше, чем в первом.

Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. Индукционные счетчики активной и реактивной энергии при несинусоидальных напряжениях и токах имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10%.

Наличие высших гармоник затрудняется и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств и даже вызывают сбой в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского контролируемого пунктов.

Несинусоидальность формы кривой напряжения отрицательно сказывается на работе вентильных преобра-зователей, ухудшая качество выпрямления тока.

Потери мощности вызываемые высшими гармониками.

При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности:

1. Дополнительные потери активной мощности в синхронных машинах от высших гармонических тока определяется по формуле:

где Р_нсм — дополнительные потери в металле обмоток (меди) синхронной машины от высших гармоник;

Р_нс.ст — дополнительные потери в стали от высших гармоник;

Р_нс.т -мощность, идущая на преодоление тормозного момента вызываемого током высшей гармоники.

Дополнительные потери активной мощности в обмотках асинхронного двигателя, обусловленные токами высших гармоник, определяются по формуле.

где R₁R₂^' — активное сопротивление статора и приведенное активное сопротивление ротора на частотей гармоники.

Дополнительные потери активной мощности в силовых трансформаторах, кабельных и воздушных линиях и реакторах определяются по формуле:

дополнительные потери активной мощности в силовых конденсаторах:

а) Дополнительные потери активной мощности в диэлектрике силового конденсатора :

б) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в изоляции от корпуса силовых конденсаторов:

в) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в обкладках конденсаторов:

где К_{n, e}— коэффициент учитывающий влияние поверсхности эффекта на участке е.

К_е— сопротивление е-го участка.

Способы уменьшения несинусоидальности напряжения в электрических сетях

Увеличение числа фаз выпрямления. С увеличением числа фаз выпрямления форма первичного тока преобразователя приближается в токе выпрямителя и, следовательно, в напряжении сети, уменьшается. Так, например, при 6-фазной схеме выпрямления в токе вентильного агрегата содержатся 5,7,11,13,17,19,23,25- я… гармоники, а при 12-фазной схеме- 11,13,23,25-я… гармоники. Расчеты показывают, что при этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается в 1,4 раза. Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения содержания высших гармоник в кривых первичного тока преобразователей и напряжения сети. Однако эти устройства получаются слишком сложными, дорогими и ненадежными. В настоящее время наибольшее распространение получили 12-фазный режим выпрямления.

Многофазный эквивалентный режим работы преобразо-вателей. Увеличение числа фаз выпрямителя возможно также путем создания эквивалентного режима для группы вентильных агрегатов, при сохранении для каждого из них 6- фазного выпрямителя. Например, 12-фазный эквивалентный режим для двухмостового преобразователя может быть реализован путём соединения одной из обмоток анодного трансформатора в треугольник, а другой — в звезду. В результате в первичных обмотках трансформаторов обеих агрегатов присутствуют гармоники порядков =6k1, но в питающую сеть выходят только гармоники порядков =12k1, а остальные гармоники тока циркулируют между первичными обмотками трансформаторов.

Снижение уровней гармоник средствами питающей сети достигается в основном рациональным построением схемы электроснабжения, при котором обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя. Наиболее распространенными средствами являются применение трансформаторов преобразователей с повышенным напряжением 110−220 кВ; питание нелинейных нагрузок от отдельных трансформаторов или подключение их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов; подключение параллельно нелинейным нагрузкам синхронных и асихронных двигателей.

Фильтры высших гармоник Звено фильтра представляет собой конур из последовательно соединенных индуктивности и ёмкости, настроенный на частоту определенной гармоники.

Сопротивление звена фильтра токами высших гармоник.

или.

где Х_LХ_C-сопротивления индуктивности и ёмкости току промышленной частоты.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается пропорционально номеру гармоники, а сопротивление батареи конденсаторов уменьшается обратно пропорционально номеру гармоники. На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора звена фильтра становится равным ёмкостному сопротивлению батареи конденсаторов и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена Х_Ф, току этой гармоники становится равны нулю и оно шунтирует электрическую систему на частоте данной гармоники.

Номер резонансной гармоники _р может быть вычислен по формуле.

Идеальный фильтр полностью потребляет ток гармоники I генерируемый нелинейными элементами. Однако из-за наличия активных сопротивлений в реакторе и конденсаторе и неточной их настройки полная фильтрация гармоник практически невозможна.

Количество звеньев в фильтре может быть любое. Но на практике, как правило, применяют фильтры, состоящие из двух или четырех звеньев, настроенные на 5,7,11,13,23, и 25-ю гармоники.

Одновременно фильтр является источником реактивной мощности и может служить в качестве одного из средств для компенсации реактивных нагрузок.

Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, кроме этого распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки.