Оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования предприятия агропромышленного комплекса

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА на тему:

«Оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования предприятия агропромышленного комплекса«

Аннотация

В дипломной работе рассматриваются теоретические и практические вопросы, связанные с оценкой влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования на примере предприятия агропромышленного комплекса.

Проведены исследования уровней несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на предприятии, проанализирована динамика показателей качества электрической энергии для различных периодов времени и их влияние на оборудование. Выполнены расчеты потерь электрической энергии, расчет высших гармоник. Получена полуэмпирическая зависимость потерь от потребляемой электроэнергии, и на этой основе найдено оптимальное отклонение напряжения.

несимметрия несинусоидальность электрооборудование гармоника

На сегодняшний день актуальными задачами являются энергосбережение и энергоэффективность, для реализации которых принят и действует Федеральный Закон «Об энергоэффективности». В соответствии со ст. 2 Закона, «энергосбережение — реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг)». Оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников позволит применить комплекс мер по снижению потерь электроэнергии, увеличению срока службы оборудования и, в конечном счете, послужит повышению энергоэффективности производства, экономии электроэнергии, снижению издержек производства.

Целью дипломной работы является оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования на предприятии агропромышленного комплекса.

Объектом исследования выбрана птицефабрика «Акашевская» — молодое, динамично развивающееся предприятие, которое успешно провело модернизацию своих производственных основных фондов, в том числе и электрического оборудования. Птичники для выращивания бройлеров оснащены современным высокотехнологичным оборудованием, управляемым, в основном, с помощью ЭВМ.

Предметом исследования служит влияние параметров электроэнергии на оборудование птичников.

Задачами дипломной работы являются:

1) оценка уровней несимметрии, несинусоидальности и отклонений напряжения и их влияния на электрооборудование;

2) анализ данных наблюдений и опытов для выяснения зависимости показателей качества от величины нагрузки;

3) расчет потерь, отклонения напряжения и уровня гармоник и их динамики в производственном цикле предприятия;

4) выработка рекомендаций по уменьшению негативного влияния показателей качества электроэнергии на электрооборудование, снижению потерь.

Теоретической базой исследования служат работы как отечественных [8, 9, 11, 12−15], так и зарубежных[6] авторов, внесших значительный вклад в исследование вопросов влияния качества электроэнергии на потребителей.

Необходимо, однако, отметить, что в указанных источниках рассматриваются, в основном, такие потребители как вентильные преобразователи, дуговые электропечи, сварочные установки и т. п., характеризующиеся высокой мощностью генерируемых высших гармоник и несимметрией. В связи с этим, представляется интересным рассмотреть современное оборудование, например, новые энергосберегающие люминесцентные лампы.

Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического и компьютерного моделирования, а также экспериментальными исследованиями на оборудовании и путем проведения измерений на действующем предприятии.

1. Общая характеристика предприятия

1.1 Характеристика птицефабрики «Акашевская»

Птицефабрика «Акашевская» расположена в 23 км от города Йошкар-Олы вблизи села Акашево.

В состав птицефабрики входят: 21 птичник, лаборатория, санпропускник, весовая, склад, канализационная насосная станция, кормоцех и контора. Направления работы птицефабрики — получение яиц и выращивание бройлеров. Мощность птицефабрики — 4 млн. голов бройлеров с производством 7,5 тысяч тонн мяса в живом весе за год.

Птицефабрика относится к первой категории по надежности электроснабжения, поскольку нарушение ее электроснабжения влечет за собой значительный экономический ущерб.

На территории птицефабрики расположены две комплектные двухтрансформаторные подстанции 10/0,4 кВ, получающие питание по одной воздушной и двум кабельным линиям электропередач от подстанции 110/10 кВ «Акашево». Для электроснабжения потребителей птицефабрики используются преимущественно кабельные линии.

В электрических сетях 10 (6) кВ применяются радиальные, магистральные и смешанные схемы.

Схема распределения электроэнергии должна быть увязана с технологической схемой объекта следующим образом:

* питание электроприемников разных параллельных технологических потоков предусматривается от разных трансформаторных или распределительных подстанций, магистралей, разных секций шин одной подстанции для того, чтобы при аварии не остановились оба технологических потока;

* в пределах одного технологического потока все взаимосвязанные агрегаты присоединяются к одной подстанции, РП, магистрали, секции шин, чтобы при прекращении питания потока все входящие в его состав электроприемники были одновременно обесточены.

Для питания двухтрансформаторных подстанций с электроприемниками первой и второй категорий применяются более надежные схемы распределения электроэнергии — с двойными магистралями (рисунок 1). Каждая магистраль получает питание от разных секций шин РУ 10 (6) кВ ГПП, ПГВ или РП, которые должны отвечать требованиям независимых источников питания. Трансформаторы на подстанциях в нормальном режиме работают раздельно, секционный автоматический выключатель на 0,4 кВ отключен, а при аварии на магистрали все потребители переключаются на магистраль, оставшуюся в работе. С этой целью автоматически или вручную обслуживающим персоналом включается секционный выключатель.

Рисунок 1 — Схемы с двойными магистралями: а — двойная сквозная магистраль с односторонним питанием; б — двойная магистраль с двухсторонним питанием Структура электроприемников птицефабрики по установленной мощности приведена в таблице 1.

Технология производства продуктов птицеводства на промышленной основе включает в себя использование высокопродуктивной птицы, применение сбалансированных комбикормов, рациональные способы содержания птицы в помещениях с регулируемым микроклиматом, механизацию и автоматизацию производственных процессов, а также систему эффективных зоогигиенических и ветеринарно-санитарных мероприятий.

Таблица 1 — Электроприемники птицефабрики «Акашевская»

Для производства мяса бройлеров при ресурсосберегающих технологических приемах выращивания, используют 21 птичник, с полезной площадью по 1728 мІ.

Птичники рассчитаны на выращивание в среднем семи партий бройлеров в год.

Срок выращивания бройлеров — не более 40 дней, вес одной головы при убое -2,129 кг.

Плотность посадки 11,6 голов на 1 квадратный метр площади, или 20 000 голов в одном корпусе.

Фронт поения: 6,6 голов на 1 ниппель, или 20 000 голов — 3030 ниппелей на корпус.

Фронт кормления: 42 головы на 1 кормушку, или 476 кормушек на корпус.

10 дней — санитарный разрыв между сдачей партии бройлеров на убой и посадкой новой партии.

Птичники оснащены современным технологическим оборудованием производства фирмы «ROXELL» и «BigDutchman».

Бройлер — это гибридный мясной цыпленок в возрасте 6−8 недель, отличающийся высокой энергией роста, низкими затратами кормов на 1 кг прироста, хорошими мясными качествами, нежным и сочным мясом.

Бройлеров выращивают в клеточных батареях, на подстилке и сетчатых полах. На птицефабрике «Акашевская» применяют напольный способ выращивания на подстилке.

Выращивание бройлеров на подстилке. Размещают молодняк в заранее подготовленном помещении. За 2 дня до приема новой партии цыплят в птичнике необходимо создать необходимые температуру и влажность воздуха (см. п. 1.2).

Источником локального обогрева бройлеров служат газовые инфракрасные горелки GasolecM8. Эти нагреватели отличаются своей работоспособностью, надежностью и простотой конструкции. Их применение позволяет экономить до 30% газа за счет направленности теплового потока на птицу.

Преимущества инфракрасных нагревателей состоят в том, что большая часть энергии передается непосредственно обогреваемому объекту (птице), при этом воздух практически не нагревается. Необходимую тепловую энергию цыплята получают сразу после включения облучателей.

Кроме температуры огромное влияние на сохранность и мясную скороспелость бройлеров оказывает воздухообмен. Оптимальная скорость движения воздуха в помещении в холодный период года составляет 0,2 м/с, в теплый 0,4 м/с. При высокой наружной температуре (свыше 26°С) для цыплят старшего возраста допускается скорость движения воздуха до 1,5 м/с. Минимальное количество свежего воздуха, подаваемого в птичник, составляет в холодный период года 0,75 м³/ч, в теплый — 5,5 м³/ч на 1 кг живой массы птицы.

Количество, подаваемого воздуха можно уменьшить, при условии, что содержание вредных газов в воздухе помещения не превышает следующие концентрации:

углекислый газ — 0,25% по объему;

аммиак — 15 мг/мі.

сероводород — 5 мг/мі.

1.2 Характеристика птичника

Птичник павильонного типа представляет собой здание из сборных железобетонных конструкций с двумя рядами внутренних колонн, с пролетами 6+6+6 м и общей шириной 18 м, длиной 96 м. Высота помещений у наружных стен — 3 м, в центре — 5 м.

Птичники данного типа выполнены из керамзитобетонных панелей с железобетонными перекрытиями и засыпкой из гравия. Полы также выполнены из бетона, двери — деревянные, перегородки кирпичные. Все конструкции и изделия приняты по действующим сериям. Здание птичника состоит из помещения и комнаты обслуживания.

Птица содержится на подстилке при искусственном освещении с регулируемым по заданной программе световым режимом. Процессы кормления и поения на птицефабрике механизированы на основе комплектов оборудования «Chore-Time». Кормление птицы осуществляется сухими комбикормами, доставляемых из наружного бункера в приемные бункеры при помощи гибкой спирали, откуда по трубам кормоподачи подаются в кормушки. Система поения птицы — ниппельная.

Птичник оборудован рядом систем, обеспечивающих необходимый технологический цикл производства, контроля и управления, а именно:

1) система кормления;

2) система поения;

3) система воздухообмена;

4) система освещения;

5) система обогрева;

6) система контроля и управления.

Система кормления состоит из:

1) внешнего приемного бункера-накопителя типа «SteadyFlow» объемом 15,2 м³ (9,7 тонн);

2) бункера-приемника емкостью 90,7 кг;

3) поперечной линии длиной 20 м;

4) 4 кормолиний, состоящих из бункера-дозатора и 119 кормушек типа C2+, всего 476 штук.

Расход корма на 1 птичник изменяется с течением времени от 373 до 5500 кг в сутки (таблица 2).

Таблица 2 — Нормативные показатели по живой массе и кормлению

Система поения состоит из 5 линий поения по 606 ниппельных поилки, итого 3030 штук. Рекомендованное давление воды на вводе 1,8−2,5 кг/см².

Для поддержания заданного воздухообмена в птичнике установлена система вентиляции, работающая на принципе разрежения.

Схема вентилирования птичника работает в трех режимах:

1) минимальный режим применяется в возрасте 0−21 день и в холодный период года.

2) комбинированный режим является основным режимом работы вентиляции, применяется в любой период года, при обеспечении оптимального микроклимата для жизнедеятельности птицы.

3) тоннельный режим применяется когда комбинированный режим не обеспечивает комфортные условия содержания и выращивания птицы (в жаркое время года, при наружной температуре свыше 26єС или для птицы в возрасте 28 дней и старше).

При всех режимах работы вентиляции первостепенное значение придается автоматическому управлению работой вентиляторов и положению боковых клапанов, приточных и вытяжных каминов.

Непременным условием работы вентиляции является создание соответствующего разряжения в помещении птичника, рабочая зона которого равна 10−40 Па (или 1−4 мм H₂O). Только при таком значении свежий воздух устремляется в зал через технологические отверстия приточной вентиляции, обеспечивая птицу требуемым количеством кислорода для нормального процесса дыхания.

Система воздухообмена состоит из:

1) минимальной (основной) вентиляции, включающую в себя:

— 38 приточных клапанов (форточек) с общей производительностью 77 900 мі/ч, при разрежении 20 Па;

— 4 настенных регулируемых вытяжных вентиляторов Fancom 1680M с общей производительностью 76 000 мі/ч, при разрежении 30 Па;

2) туннельной вентиляции:

— 10 приточных жалюзи, расположенных в переднем торце птичника;

— 8 вытяжных вентиляторов Fancom 140 R/S, расположенных в заднем торце птичника с общей производительностью 271 200 мі/ч, при разрежении 30 Па.

Общая производительность вентиляции птичника составляет 347 200 (391 600) м³/ч при разрежении 30 (0) Па.

Свет оказывает большое влияние на продуктивность и поведение птиц. Обеспечение оптимального режима освещения является необходимым условием для получения наилучших показателей.

На многих птицефабриках России применяется осветительное оборудование голландской фирмы «Gasolec» — монохроматические лампы красного, синего, зеленого и белого цвета, отвечающие биологическим потребностям птицы. Интенсивность освещения ламп регулируются диммерамиот 60 до 100%. Большим преимуществом этой системы является невысокая потребляемая мощность ламп «OrionGasolec» — 11 Вт. Энергосберегающие лампы «OrionGasolec» позволяют в 4−8 раз экономить электроэнергию по сравнению с обычными лампами накаливания при одинаковой освещенности. При правильной эксплуатации срок службы этих ламп составляет 8 000 — 10 000 и более часов.

Как правило, суточные бройлеры поступают в птичник в состоянии сильного стресса. Установлено, что при зеленом и синем свете в течение 3−6 часов цыплята успокаиваются и начинают активно есть. Это происходит благодаря благотворному воздействию света, в результате чего они становятся менее агрессивными и активно едят, что приводит к увеличению привесов, снижению падежа и расходов на воду, а также улучшает конверсию корма, что подтверждают данные.

Таблица 3 — Световой режим

Система освещения птичника состоит из:

1) 96 светильников с лампами OrionPL 11W синего и зеленого цветов (по 48 на каждый цвет) общей установленной мощностью 1,06 кВт;

2) двух трехступенчатых диммерных регуляторов Orion 60×11W на зеленый и синий свет.

За 2 дня до приема цыплят в птичнике должен быть создан необходимый температурно-влажностный режим (таблицы 4 и 5).

Для поддержания температурно-влажностного режима используются 64 газовых инфракрасных обогревателя GasolecM8 общей мощностью 320 кВт и двух регуляторов газа NovacometBP 2303.

Система управления построена на базе ЭВМ Chore-Tronics Модель 16, к которой подключены 4 термодатчика и 1 датчик статического давления.

Таблица 4 — Температурный режим

Таблица 5 — Температурно-влажностный режим

Компьютер обеспечивает следующие функции:

1) управление процессами вентиляции, обогрева, кормления, освещения;

2) сервисные функции (учет падежа, расход воды, текущая температура, история температуры за время выращивания, учет времени работы обогревателей);

3) сигнализация аварийных ситуаций;

4) передача информации о процессах в единую сеть.

Устройство C-Collect MT1767B (2 платформы на птичник) осуществляет автоматическое без участия человека взвешивание птицы, суточный привес, ведет историю суточных привесов и массы бройлера, количество взвешенных голов птицы, однородность стада, передает информацию ЭВМ. Показания веса снимаются с тензодатчиков. Один тензодатчик из-за дальнего расстояния до обрабатывающей системы используется совместно с блоком усиления сигнала SJB.

Устройство FeederControlMT1559A осуществляет автоматическое взвешивание корма в бункере, управление подачи корма в птичник, контроль потребления корма в сутки, контроль последнего привоза корма, передает информацию о процессах в ЭВМ.

Аварийная сигнализация типа СT-1 состоит из блока сигнализации и ревуна. Выдает сигнал аварийной ситуации наревун при превышении значений температуры или статического давления за установленные пределы, а также при выходе датчиков температуры из строя и отключении электроэнергии за счет встроенной аккумуляторной батареи.

Установленная мощность оборудования приведена в таблице 6.

Таблица 6 — Установленная мощность оборудования

График потребления активной и реактивной мощности приведены на рисунках 2−4 (здесь и далее на графикахвентиляция не показана для улучшения наглядности).

Рисунок 2 — Потребление активной мощности по фазам и полное Рисунок 3 — Потребление реактивной мощности по фазам и полное Рисунок 4 — Коэффициент мощности по фазам и полный

Анализируя полученные данные, составляем суточный технологический цикл работы оборудования (рисунок 5).

Рисунок 5 — Суточный график работы оборудования Используя график работы оборудования, подсчитываем общее количество потребленной электроэнергии (таблица 7).

Таблица 7 — Электроэнергия, потребляемая оборудованием

Сравниваем полученную величину с показаниями прибора, равными Незначительное расхождение объясняется наличием маломощных потребителей (компьютер, автоматические датчики).

Рассмотрен технологический процесс предприятия агропромышленного комплекса — птицефабрики «Акашевская». Описан процесс выращивания бройлеров на подстилке, факторы (температура, влажность, состав воздуха, скорость воздухообмена), влияющие на производительность и эффективность работы.

Исследованы технологические системы птичника (освещения, вентиляции, кормораздачи, обогрева, контроля и управления), их взаимосвязь, динамика работы в течение суток и 40-дневного периода выращивания.

Описаны основные типы электрооборудования, порядок их работы, управления и контроля за производством.

По данным, полученным при измерениях на действующем птичнике:

1) определена структура потребления электроэнергии оборудованием птичника, выделены для дальнейшего рассмотрения основные потребители электрической энергии;

2) найдено потребление активной и реактивной мощности, коэффициент мощности за период 24 ч.;

3) составлен примерный суточный график работы электрооборудования.

2. Состояние качества электроэнергии на предприятии

Для определения состояния качества электрической энергии на предприятии «Птицефабрика Акашевская» применялся прибор «Ресурс-UF2».

Измерения производились в двух точках: на отходящей от КТП линии, питающей несколько птичников и на вводе птичника (рисунок 6).

Рисунок 6 — Место проведения измерений

2.1 Состояние качества электроэнергии по отклонению напряжения

Исследование состояния качества электроэнергии проведено при помощи как аналитических методов, используемых для построения графиков и гистограмм, так и готовых табличных данных, рассчитанных прибором «Ресурс-UF2».

Для того чтобы получить гистограмму распределения, определим количество интервалов разбиения по формуле Стерджесса [4]:

(1)

где n — число измерений.

Для суточного графика с интервалом измерения, тогда

В рекомендациях также указано, что «оптимальное» значение k зависит не только от объема выборки, но и от вида закона распределения и от способа группирования.

При асимптотически оптимальном группировании относительно скалярного параметра при 10, 11 интервалах в группированной выборке сохраняется около 98% информации, при оптимальном группировании относительно вектора параметров (два параметра) для 15 интервалов — около 95%. Дальнейшее увеличение числа интервалов существенного значения не имеет. Окончательно принимаем

Рисунок 7 — Отклонение напряжения в фазах в т. Б Рисунок 8 — Гистограммы отклонения напряжения в т. Б

Таблица 8 — Характеристика отклонения напряжения в т. Б

Рисунок 9 — Отклонение напряжения в фазах в т. А Рисунок 10 — Гистограммы отклонения напряжения в т. А Таблица 11 — Характеристика отклонения напряжения в т. А

Из результатов измерений на шинах НН трансформатора (в точке A) следует, что большую часть времени наблюдения, отклонение фазных и линейных напряжений было больше нормально допустимого, а отклонение напряжения фаз Aи B больше предельно допустимого.

Предположим, что отклонение напряжения является случайной величиной и изменяется по нормальному закону распределения, тогда получим средние значения отклонения для точки, А и среднеквадратичные отклонения Средние значения отклонения для точки Б и среднеквадратичные отклонения Из результатов расчета следует, что среднее отклонение напряжения в точке Б по сравнению с точкой, А уменьшается, но незначительно. При этом разброс (среднеквадратическое отклонение) в точке Б немного выше.

Обратимся теперь к критерию согласия ч² Пирсона, при помощи которого проверим, удовлетворяет ли рассматриваемая величина ДU нормальному закону распределения.

Методика проверки и пример расчета критерия согласия Пирсона приведены в приложении 4.

Для отклонений напряжений в точке, А получаем Для отклонений напряжений в точке Б получаем Для всех фаз выполняется условие

(2)

следовательно гипотеза о нормальной распределенности отклонения напряжений не противоречит материалу наблюдений.

2.2 Состояние качества электроэнергии по несинусоидальности

График и гистограмма коэффициентов несинусоидальности напряжения в точке, А изображены на рисунках 11 — 14.

Рисунок 11 — Коэффициенты несинусоидальности напряжения в точке, А Рисунок 12 — Гистограммы несинусоидальности напряжения в точке, А Рисунок 13 — Коэффициенты несинусоидальности напряжения в точке Б Рисунок 14 — Гистограммы несинусоидальности напряжения в точке Б Средние значения коэффициента несинусоидальности напряжения для точки, А и среднеквадратичные отклонения Средние значения отклонения для точки Б и среднеквадратичные отклонения Таблица 12 — Коэффициенты несинусоидальности напряжения в т. А

Таблица 13 — Коэффициенты несинусоидальности напряжения в т. Б

Из результатов измерений следует, что несинусоидальность напряжений в точке Аи точке Б различается незначительно, однако уровни гармоник с номером 36 и выше в точке, А гораздо меньше. Таким образом, питающая кабельная линия обладает фильтрующим действием на гармонические составляющие напряжения.

Рисунок 17 — Коэффициенты несинусоидальности тока (т. А) Рисунок 18 — Гистограмма коэффициентов несинусоидальности тока (т. А) График и гистограмма коэффициента несинусоидальности по току в точке Б изображены на рисунках 19−20.

Рисунок 19 — Коэффициенты несинусоидальности тока (т. Б) Рисунок 20 — Гистограмма коэффициентов несинусоидальности тока (т. Б)

Из графиков следует, что в точке, А средние значения коэффициентов несинусоидальности несколько меньше, чем в точке Б.

На гистограмме распределения в точке Б видны пики значений коэффициентов несинусоидальности, характерные для отдельных однотипных потребителей.

На гистограмме распределения в точке, А виден значительно меньший диапазон изменения значений коэффициентов несинусоидальности, по сравнению с точкой Б. Отсюда следует, что при наложении токов высших гармоник нескольких птичников, результирующий спектр получается с меньшей несимметрией гармоник по фазам.

Анализируя полученные данные, находим значение коэффициентов несинусоидальности для характерных потребителей.

Получаем для рабочего освещения среднее значение несинусоидальности и среднеквадратичное отклонение Для дежурного освещения среднее значение несинусоидальности и среднеквадратичное отклонение Для вентиляции среднее значение несинусоидальности и среднеквадратичное отклонение Прочие потребители оказывают незначительное влияние на несинусоидальность.

2.3 Состояние качества электроэнергии по несимметрии

График и гистограмма коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательностям в точке, А изображены на рисунках 21 — 22.

Рисунок 21 — Коэффициенты несимметрии Рисунок 22 — Гистограмма коэффициентов несимметрии Рисунок 23 — Коэффициенты несимметрии Рисунок 24 — Гистограмма коэффициентов несимметрии Предположим, что коэффициенты несимметрии можно считать случайными величинами с нормальным распределением.

Получаем среднее значение коэффициентов несимметрии в точке, А и их среднеквадратичное отклонение Среднее значение коэффициентов несимметрии в точке Б и их среднеквадратичное отклонение Проверим при помощи критерия согласия ч², удовлетворяет ли рассматриваемая величина нормальному закону распределения аналогично п. 2.1.

Для точки, А получаем:

Для точки Б получаем:

Выполняется условие (2), следовательно гипотеза о нормальной распределенности коэффициентов несимметрии не противоречит материалу наблюдений.

Таблица 14 — Характеристика несимметрии напряжения в т. А

Таблица 15 — Характеристика несимметрии напряжения в т. Б

Из результатов измерений следует, что коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности повышался более нормально допустимого уровня, но оставался в границах предельно допустимых значений.

Таким образом, коэффициент несимметрии по нулевой последовательности в точке Б выше, чем в точке А, а коэффициент несимметрии по обратной последовательности — ниже.

Выводы по соответствию качества напряжения нормативам:

1) бульшую часть времени наблюдения, отклонение фазных и линейных напряжений было больше нормально допустимого значения +5%, а отклонение напряжения фаз A иB больше предельно допустимого значения +10% (время превышения — 1−1,75 ч);

2) коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности повышался более нормально допустимого уровня, но оставался в границах предельно допустимых значений (время превышения в т. А — 40 мин, в т. Б — 3 ч);

3) спектр гармоник напряжения в т. Б содержал гармоники от 36-ой и выше с уровнями, превышающими предельно допустимые значения;

4) отклонение частоты, несинусоидальность напряжения соответствуют нормам ГОСТ 13 109–97.

Таким образом, качество электрической энергии, получаемой потребителем, не соответствует нормативным требованиям (пп. 5.2, 5.5 [5]).

В соответствии с приложением, А [5], наиболее вероятными виновниками ухудшения качества электрической энергии являются энергоснабжающая организация (отклонение напряжения) и потребитель с несимметричной нагрузкой (коэффициент несимметрии).

Выводы по результатам расчетов:

1) отклонение фазных напряжений, коэффициенты несимметрии и несинусоидальности можно представить как нормально распределенные величины, следовательно в расчетах можно использовать вероятностные методы;

2) основной вклад в несинусоидальность вносят группы однотипных потребителей со слабо меняющейся нагрузкой и фиксированным технологическим циклом;

3) питающая КЛ обладает фильтрующим действием, ослабляя несинусоидальность тока и напряжения, источниками которых являются потребители, особенно это касается гармоник выше 36-ой (1,8 кГц);

3. Влияние оборудования на качество электроэнергии

На рисунке 25 показана схема электроснабжения птичника № 1.

Рисунок 25 — Схема электроснабжения птичника № 1

Рассмотрим параметры элементов схемы.

Трансформатор T1 типа ТМ-400/10/0,4 — У1-Y/Y₀-0:

1) номинальная мощность ;

2) номинальное напряжение 10/0,4 кВ;

3) потери холостого хода ;

4) ток холостого хода ;

5) потери короткого замыкания ;

6) напряжение короткого замыкания

Кабельные линии W1, W2 выполнены кабелем АВВГ 3×70−1×25 со следующими параметрами:

1) удельное индуктивное сопротивление

2) удельное активное сопротивление

Группа двигателей кормораздачи состоит из четырех двигателей линий кормления M1… M4 и одного двигателя поперечной линии M5.

Двигатели M1… M4 имеют следующие параметры:

1) номинальная мощность

2) КПД

3) коэффициент мощности

4) коэффициент пуска

Двигатель M5 имеет следующие параметры:

1) номинальная мощность

2) КПД

3) коэффициент мощности

4) коэффициент пуска

Группа двигателей вентиляции состоит из восьми двигателей туннельной вентиляции M6… M13 и четырех двигателей минимальной вентиляции M14… M17.

Двигатели M6… M13 имеют следующие параметры:

1) номинальная мощность

2) КПД

3) коэффициент мощности

4) коэффициент пуска

Двигатели M14… M17 имеет следующие параметры:

1) номинальная мощность

2) КПД

3) коэффициент мощности

4) коэффициент пуска

Группа ламп рабочего освещения состоит из 96 энергосберегающих флуоресцентных ламп HL1… HL96 типа «Gasolec». Мощность одной лампы составляет 11 Вт. Вся группа ламп рабочего освещения питается через электронный регулятор (диммер), с помощью которого можно ступенчато изменять рабочую освещенность в соответствии с технологическими нуждами.

Группа ламп наружного освещения состоит из 2 ртутных дуговых ламп HL97… HL98 типа ДРЛ. Мощность одной лампы составляет 250 Вт. Для ламп наружного освещения применяется обычная пускорегулирующая аппаратура с индуктивным балластом.

3.1 Высшие гармоники в газоразрядных лампах

Люминесцентные разрядные лампы и в особенности флуоресцентные трубчатые осветительные приборы имеют резко нелинейную характеристику и генерируют существенные токи гармоник нечетных порядков. В трехфазной четырехпроводной сети гармоники, кратные трем, в основном добавляются в нейтраль, и среди них преобладает третья гармоника.

Прежде всего необходимо отметить, что в профессиональной технической литературе т.н. энергосберегающие лампы называются CompactFluorescentLamps (CFL), в российской — компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

В статье сделаны следующие выводы:

1. Испытанная энергосберегающая лампа генерирует в сеть реактивную мощность и использует ее для своей работы (потребляемый ток отстает от приложенного напряжения).

2. Энергосберегающая лампа является нелинейным (в отличие от ламп накаливания) потребителем электроэнергии, генерирующим в сеть высшие гармоники тока.

На рисунке 26 изображена осциллограмма тока для люминесцентной лампы.

Рисунок 26 — Осциллограмма тока люминесцентной лампы Рассмотрим спектры гармоник ламп рабочего и наружного освещения.

Для рабочего освещения используются люминесцентные лампы. Сравним полученный спектр гармоник со спектром люминесцентных ламп с индуктивно-емкостным балластным сопротивлением. Гармонические спектры показаны на рисунке 27.

Рисунок 27 — Гармоники тока ламп рабочего освещения

Полученные данные свидетельствуют о высоком уровне нечетных гармоник. Видимо, это связано с работой полупроводникового регулятора (диммера), генерирующего дополнительные гармоники вследствие своей нелинейности.

Для наружного освещения используются лампы типа ДРЛ. Сравним полученный спектр гармоник со спектром ламп ДРЛ без компенсации. Гармонические спектры показаны на рисунке 28.

Рисунок 28 — Гармоники тока ламп наружного освещения Опытные данные хорошо согласуются с данными из.

Для регулирования осветительной нагрузки используются тиристорные регуляторы мощности (диммеры). Мощность, потребляемая линейной нагрузкой управляемого регулятора (состоящего из двух встречно включенных тиристоров) определяется как [9]:

(3)

где P₀ — мощность, потребляемая приемником при.

3.2 Высшие гармоники асинхронных двигателей

Вращающееся поле кроме основной (первой) гармонической индукции может содержать в той или иной мере выраженные высшие гармонические.

Вращающееся поле, содержащее высшие гармонические, называется несинусоидальным вращающимся полем.

Электрическая машина может быть представлена как имеющая 2 р основных и 6 р, 10 р, … 2nр гармонических полюсов, поля которых строго синусоидальны, причем каждое вызывает появление ЭДС в соответствующих обмотках.

Скорость синхронно вращающегося поля статора асинхронного двигателя равна произведению основной частоты на пазовое деление, т. е.. При скольжении s скорость ротора равна, а ток ротора имеет частоту, Временные гармоники асинхронных двигателей определяются гармоническим содержанием распространяющейся МДС и зависят от скорости вращения.

Гармоника с номером nв МДС ротора имеет пазовое деление, распространяется со скоростью относительно ротора, а относительно статора ее скорость равна .

Гармоника порядка n индуцирует в статоре ЭДС с частотой, равной отношению скорости к длине волны, т. е. [6]

(4)

Положительный знак используется тогда, когда гармоническая МДС ротора движется в направлении, противоположном направлению движения основной МДС.

Причиной возникновения гармоник может быть и электрический небаланс. В связи с электрической несимметричностью обмотки ротора обмотка статора сбалансирована так, что питающее напряжение вызывает появление чистого поля, вращающегося со скоростью. В роторе индуцируется ЭДС с частотой скольжения, но так как витки ротора не сбалансированы, то токи и прямой, и обратной последовательностей смещаются, создавая поля, вращающиеся в прямом и обратном направлениях. Скорость этого смещения относительно ротора равна, а относительно статора. Частоты ЭДС статора, индуцируемые такими полями, равны f и, причем последняя рассматривается здесь в качестве гармонической частоты. Взаимодействие токов гармонической и основной частот приводит к появлению биений с низкой частотой 2sf.

В практических расчетах предполагается, что асинхронные двигатели являются только потребителями тока высших гармоник.

Гармонический спектр тока двигателей вентиляции показан на рисунке 29.

Рисунок 29 — Гармоники тока двигателей вентиляции Гармонический спектр тока двигателей приводов форточек показан на рисунке 30.

Рисунок 30 — Гармоники тока двигателей приводов форточек

3.3 Влияние нагрузок на несимметрию

Наиболее частой причиной несимметрии напряжений на практике является неравенство токовых нагрузок фаз. При этом различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную несимметрию. Характерной чертой систематической несимметрии является постоянная перегрузка одной из фаз; в этом случае производят выравнивание нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной на недогруженную фазу. Вероятностная несимметрия характеризуется попеременной перегрузкой то одной, то другой фазы (перемежающаяся несимметрия). В сетях 0,4 кВ городов и сельских населенных пунктов несимметрия напряжений вызывается в основном тем, что к этим сетям подключаются бытовые потребители, являющиеся преимущественно однофазными, а в сетях более высоких напряжений — наличием у потребителей мощных однофазных нагрузок и трехфазных, но с неодинаковым потреблением по фазам.

3.4 Влияние качества электрической энергии на оборудование

Такие показатели качества электроэнергии, как отклонения напряжения и частоты, несинусоидальность и несимметрия напряжений и токов, влияют на потери мощности и электроэнергии в электрических сетях.

Для определения отчетных потерь электроэнергии ДW учитывают технические, технологические и коммерческие потери. Отчетные потери определяют как разность электроэнергии, поступившей в сеть W_с, и электроэнергии, отпущенной из сети и оплаченной потребителем W_п.

Технические потери ДW_т обусловленные расходом на собственные нужды подстанций W_СН, и потери W_м, обусловленные инструментальными погрешностями измерений, составляют технологические потери, так как определяются технологическими потребностями процесса передачи электроэнергии по сетям и инструментального учета ее поступления и отпуска. Коммерческие потери, равные, представляют собой результат влияния «человеческого фактора» и включают в себя хищения электроэнергии, полную или частичную неоплату потребленной энергии и т. п.

В технологических потерях можно условно выделить дополнительные составляющие, обусловленные отклонениями режимов работы электрооборудования и измерительных приборов от номинальных или нормируемых. Одним из факторов, приводящих к таким отклонениям режимов, является ухудшенное качество электроэнергии.

Ухудшение качества электроэнергии приводит к дополнительным коммерческим потерям. К ним относится часть энергии, параметры которой не соответствуют требованиям нормативных документов или договора энергоснабжения и которую абонент вправе не оплачивать. В настоящее время такая составляющая потерь при расчетах за электроэнергию не учитывается.

Рисунок 31 — Направления активных мощностей в системе при искажающей нагрузке Для понимания сущности и принципов измерения дополнительных технологических потерь в несинусоидальных и несимметричных режимах необходимо рассмотреть баланс мощности в системе. На рисунке 31 приведена упрощенная схема электрической системы, содержащей искажающую и неискажающую нагрузки. Искажающая нагрузка, потребляя электроэнергию на основной частоте прямой последовательности, преобразует часть ее в энергию искажений, обусловленную высшими гармониками тока и токами обратной и нулевой последовательности, и передает обратно в сеть, что приводит к появлению дополнительных потерь.

Дополнительные технические потери в сети при несинусоидальности напряжения менее 5% незначительны, а при возрастании K_U до 7−15%, потери от высших гармоник могут достигать 10−12% суммарных потерь мощности. Наибольшие потери от высших гармоник в элементах СЭС возникают в резонансных режимах.

Несимметрия напряжения приводит к увеличению потерь мощности и электроэнергии во всех элементах электрической сети, что обусловлено протеканием токов обратной и нулевой последовательностей. Например, при добавочные потери в обмотках асинхронных двигателей ДP_доп составляют 8% основных потерь прямой последовательности ДP_осн, а при ДP_доп равны половине ДP_осн.

Таким образом, для оценки эффективности передачи и распределения электроэнергии при ухудшенном качестве электроэнергии необходимо учитывать и ее дополнительные потери.

Влияние отклонения напряжения на оборудование ГОСТ 13 109–97 устанавливает на зажимах электроприемника нормально и предельно допустимое установившееся отклонение напряжения ±5% и предельное ±10% номинального напряжения сети. В точках общего присоединения к сетям напряжением 380 В и выше отклонение напряжения рассчитывается с учетом потерь напряжения в сети и необходимости обеспечить допустимые отклонения напряжения на зажимах электроприемников в режимах наибольшей и наименьшей суточной нагрузки потребителя.

Положительные отклонения напряжения приводят к снижению потерь напряжения и увеличению потерь мощности в сетях, увеличению производительности механизмов с асинхронным приводом. Однако срок службы оборудования сокращается. Особенно это относится к лампам накаливания. Отрицательные отклонения напряжения, главным образом, сказываются на снижении производительности, увеличении потерь напряжения и снижении потерь мощности.

Для оценки ущерба от отклонений напряжения используют экономические характеристики, отражающие зависимость этого ущерба от значения напряжения на выводах электроприемника.

Влияние отклонений напряжения на потребляемую электроприемниками мощность характеризуют статическими характеристиками по напряжению. Эти зависимости в общем случае нелинейные. При малых отклонениях напряжения их можно представлять в виде линейных зависимостей. Вид статической характеристики по напряжению характеризует регулирующий эффект нагрузки. Регулирующим эффектом нагрузки называют изменение потребляемой активной и реактивной мощности нагрузки в процентах при изменении напряжения на 1%.

При снижении напряжения на нагрузке регулирующий эффект нагрузки способствует поддержанию напряжения на приемном конце линии, т. е. на нагрузке, из-за снижения потребляемой мощности и, следовательно, потерь напряжения в линии. В этом заключается положительный регулирующий эффект нагрузки.

Рассмотрим влияние отклонений напряжения на работу асинхронного двигателя. Известно, что при снижении напряжения на зажимах двигателя на 15% номинального его электромагнитный момент снижается до 72% номинального. При длительном режиме работы при срок службы АД сокращается вдвое (электротехнический ущерб). Повышение напряжения приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности и соответствующим потерям в распределительной сети. В среднем при повышении напряжения на 1% потребляемая реактивная мощность (регулирующий эффект) возрастает на 3% для АД мощностью 20−100 кВт и на 5−7% для АД меньшей мощности.

Эффективность работы осветительных ламп главным образом зависит ют уровня напряжения на их зажимах. Отклонения напряжения оказывают влияние на такие важные показатели осветительных приемников, как световой поток, освещенность и срок службы.

Газоразрядные и люминесцентные лампы менее чувствительны к изменению напряжения. При уменьшении напряжения до 0,93−0,95 U_ном освещенность рабочего места снижается на 10−15%. Но при уменьшении напряжения дои ниже зажигание газоразрядных ламп становится невозможным. Регулирующий эффект по активной мощности люминесцентных ламп, включенных по схеме с расщепленной фазой, составляет 1,9%, а по реактивной мощности — 1,5%. Для ламп ДРЛ с пускорегулирующей аппаратурой регулирующие эффекты соответственно равны 1,6 и 4,5%.

Световая отдача люминесцентных ламп снижается приблизительно пропорционально снижению уровня напряжения. При снижении напряжения более чем на 7−10% пуск и работа этих ламп становятся ненадежными. Необходимо также отметить, что снижение освещенности в результате отрицательных отклонений напряжения может привести к снижению производительности труда.

Экономическую характеристику осветительного приемника, представляющую функциональную связь между эффективностью его работы и уровнем напряжения, в общем случае можно представить в виде [12]

(5)

где f — удельный экономический ущерб от некачественного напряжения;

a, c — коэффициенты экономической невыгодности;

— отклонение напряжения от номинального значения на зажимах приемника.

Влияние несинусоидальности напряжения на оборудование Несинусоидальность напряжения влияет на все виды электроприемников. Вызвано это не только тепловым дополнительным нагревом электроприемников от высших гармоник тока, но и тем, что высшие гармоники образуют составляющие прямой последовательности (1, 4, 7-я и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8-я и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трем). Эти последовательности различаются порядком чередования фаз напряжения (тока), чем и вызвано различие в их влиянии на работу электроприемников. В частности, токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали в электрических машинах, что приводит к ухудшению характеристик этих электроприемников и дополнительному нагреву статоров АД и магнитопроводов трансформаторов. Обычно высшие гармоники напряжения, суммируясь с основной гармоникой, способствуют повышению действующего значения напряжения на зажимах ЭП.

Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, создавая дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, сокращая срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, повышая аварийность в кабельных сетях, вызывая сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

Высшие гармоники напряжения и тока влияют также на значения коэффициента мощности, вращающего момента электродвигателей. Однако снижение этих характеристик, даже при коэффициенте искажения формы кривой напряжения 10−15%, оказывается весьма небольшим. Уровень дополнительных активных потерь от высших гармоник в основных сетях электрических систем составляет несколько процентов от потерь при синусоидальном напряжении. В сетях предприятий, крупных промышленных центров эти потери могут достигать 10−15% основных технических потерь.

Особенно чувствительны к появлению высших гармоник кабельные линии. Увеличение коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U приводит к старению изоляции.

Качество диэлектрика кабелей характеризуется током утечки, определяющим потери в изоляции кабеля. Измерениями установлено, что при за 2,5 года ток утечки возрастает на 36%, а через 3,5 года на 43%.

При несинусоидальном напряжении наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей в результате повышенного нагрева токоведущих частей, а также необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием электрических полей, создаваемых высшими гармониками тока.

Расчеты показывают, что для асинхронных двигателей потери активной мощности при несинусоидальном напряжении незначительны. Такой эффект можно объяснить тем, что токи высших гармоник не проникают в обмотку статора из-за того, что она является достаточно большим сопротивлением, и тем большим, чем больше порядок гармоники. Кроме того, амплитуды гармоник напряжения существенно убывают с ростом порядка гармоники. Исключение могут представлять явления, связанные с резонансами напряжений.

На промышленных предприятиях, как показали обследования [13], перегрев АД в сетях с большим уровнем высших гармоник напряжения () не наблюдался ни при пониженной, ни при номинальной нагрузке.

Влияние на сроки службы вращающихся машин проявляется в основном через превышение температуры обмоток над допустимым значением, что вызывает ускоренное старение изоляции. Нагрев обмоток обусловлен одновременным воздействием температуры окружающей среды, относительной загрузки машины по мощности, отклонением напряжения, напряжениями обратной последовательности и высших гармоник. Четыре последних параметра определяют превышение температуры обмоток над температурой окружающей среды.