- ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ
Потребители электроэнергии рассчитываются на длительную работу с номинальными электрическими параметрами режима (fн, Un, Iн и др.), при которых они обладают наивысшими технико-экономическими показателями. Однако при передаче электроэнергии от станций к потребителям качество ее ухудшается, так как в сетях имеют место потери напряжения, несимметрия нагрузки фаз вызывает несимметрию напряжений, наличие преобразовательных устройств приводит к несинусоидальности напряжений, а толчки нагрузки при отключении и подключении потребителей вызывают колебания частоты и напряжения. Указанные причины, а также ряд других факторов приводят к отклонению параметров качества электрической энергии от нормированных значений, что влияет на работу электроприемников.
Качество электроэнергии непосредственно связано с экономичностью производства, поскольку отклонения показателей качества от номинальных приводят к снижению КПД, коэффициента мощности, производительности, срока службы и других показателей потребителей электроэнергии.
Другим отражением качества электроэнергии является его влияние на сам предмет производства, на качество продукции. Действительно, отклонение показателей качества энергии от номинальных ведет непосредственно к нарушению технологических процессов (обработки, проката, гальванизации, нагрева и т. п.).
Качество электрической энергии связано и с некоторыми социальными проблемами. Так, например, недопустимые отклонения напряжения в осветительных сетях вызывают снижение освещенности, что сказывается на органах зрения человека. Появление высших гармонических в сетях электроснабжения вызывает не только нарушение работы радио- и телевизионной аппаратуры, но в определенных условиях воздействует и на здоровье людей. Высокочастотные вибрации рабочего инструмента, вызванные наличием высших гармонических, приводят к различным профессиональным заболеваниям рабочих.
Рассмотрим, как влияет отклонение параметров качества электроэнергии на работу электроприемников.
Отклонения и колебания напряжения в электрических сетях, вызываемые непрерывным изменением электрических нагрузок, приводят к изменению освещенности, повышению удельного расхода энергии, изменению технологических процессов, увеличению себестоимости продукции, браку и другим негативным последствиям, снижающим народнохозяйственную эффективность производства. Изменение напряжения в различных узлах сети может быть неодинаковым.
Наиболее чувствительны к отклонениям напряжения асинхронные двигатели, момент на валу которых пропорционален квадрату подведенного напряжения:
(13)
поэтому при больших отклонениях напряжения может наступить так называемое «опрокидывание» двигателя, т. е. торможение его до полной остановки.
Момент синхронных двигателей пропорционален напряжению. Изменения подведенного напряжения вызывают соответствующие изменения момента на валу, влияют на статическую устойчивость работы таких двигателей и на значение их располагаемой реактивной мощности.
Потребители, имеющие преобразовательные установки (управляемые выпрямители, преобразователи частоты и т.п.), на отклонения напряжения реагируют изменением угла регулирования и соответственно изменением коэффициента мощности установки.
Электротермические установки при уменьшении питающего напряжения снижают производительность, которая пропорциональна второй степени подводимого напряжения:
(14)
Отклонения напряжения в осветительных сетях влияют на весь производственный процесс, поскольку эти отклонения приводят к изменению освещенности, что в свою очередь вызывает повышенную утомляемость органов зрения, снижение производительности человека, увеличение травматизма и производственного брака.
Колебания напряжения, возникающие в электрических сетях при пусках мощных двигателей, при работе сварочных агрегатов, дуговых печей, вентильных установок и вследствие других причин, вызывают ощутимые последствия: в осветительных сетях — «мигание» ламп; в схемах автоматики — возникновение ложных команд; колебания влияют на пуск двигателей, на самоотключение контакторов, пускателей и др. Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии людьми предметов, деталей, графических материалов, что в конечном итоге приводит к снижению производительности труда. Колебания напряжения, вызванные мощными периодическими нагрузками (прокатным станом, мощными компрессорными установками и т. п.), могут привести к колебаниям электромагнитного момента, активной и реактивной мощности генераторов ТЭЦ предприятия.
Методики количественной оценки влияния колебаний напряжения на производственные процессы, оборудование, на рабочий персонал в настоящее время не имеется.
Несимметричный режим многофазной системы электроснабжения вызывает появление наряду с системой прямой последовательности напряжений систем обратной и нулевой последовательностей. При наложении на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности. становятся несимметричными и фазные и линейные напряжения сети (рис. 1). Наложение же системы нулевой последовательности (рис. 2) приводит к несимметрии фазных напряжений сети, тогда как система линейных напряжений остается симметричной. В такой системе происходит смещение нейтрали.
Рис, 1
Рис. 2
Причины возникновения несимметрии напряжений следующие: наличие несимметричной нагрузки, различие параметров фаз на отдельных участках сети, отсутствие транспозиции фаз протяженных ЛЭП. Неуравновешенность напряжений вызывается в основном наличием мощных однофазных приемников. Искажение симметрии напряжений сети ухудшает условия работы потребителей, снижает их экономичность и ухудшает технические характеристики (возникают дополнительные потери в элементах сети, сокращается срок службы электрооборудования и т. п.).
Несимметрия напряжений приводит к возникновению в электрических машинах магнитных полей, вращающихся соответственно с синхронной частотой вращения в направлении вращения ротора (результат прямой последовательности напряжений) и с той же скоростью в противоположном (результат обратной последовательности напряжений). В итоге создается тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев активных частей машин. Дополнительный нагрев электрических машин вынуждает снижать их располагаемую мощность, чтобы сохранить нормированный срок службы.
В электрических машинах несимметрия напряжений, помимо рассмотренных последствий, может привести к появлению вибраций ротора, возникающих в результате знакопеременных вращающих моментов, которые могут вызвать разрушение механических конструкций машины.
Несимметрия напряжений вызывает повышенный нагрев трансформаторов, а следовательно, и сокращение срока их службы.
Весьма существенно несимметрия напряжений влияет на батареи конденсаторов, так как реактивная мощность, генерируемая батареей, зависит от наличия напряжения обратной последовательности фаз.
Несимметрия напряжений не оказывает заметного влияния на работу воздушных и кабельных линий, но срок службы оборудования этих линий может заметно снизиться.
Изменение синусоидальной формы напряжения возникает в электрических сетях, имеющих элементы, генерирующие высшие гармоники: оборудование с нелинейными насыщающимися магнитопроводами, выпрямительные установки, преобразователи частоты. Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики, связи. Они вызывают дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, сокращают срок их службы, повышают аварийность кабельных сетей, приводят к перегрузке по току конденсаторные батареи, создают условия для резонансных явлений в сетях, ускоряют старение изоляции электрооборудования.
Активные сопротивления элементов электрических сетей для высших гармоник практически остаются постоянными, а индуктивные и емкостные с ростом номера гармоники значительно меняются:
(15)
где v — номер гармоники; fv—vf1 — частота v-й гармоники (fi — частота первой гармоники). Эти изменения реактивных сопротивлений и приводят к указанным негативным последствиям при несинусоидальных напряжениях
Снижение коэффициента несинусоидальности осуществляется различными путями: увеличением числа фаз выпрямительных и преобразовательных установок; применением фильтров, настроенных на определенные частоты; подключением к сети нагрузок, имеющих малые сопротивления для высших гармоник.
Отклонения частоты наиболее чувствительно влияют на синхронные двигатели, угловая скорость которых линейно зависит от частоты питающего .напряжения:
Практически линейно от частоты зависит и угловая скорость асинхронных двигателей.
На указанных двигателях в основном строятся электроприводы рабочих механизмов, поэтому снижение частоты приводит к снижению их производительности, а в ряде случаев и к нарушению технологических процессов. При уменьшении частоты нарушается работа и механизмов собственных нужд электростанций (дутьевые вентиляторы, дымососы, циркуляционные насосы и др.), что может привести к остановке станции и даже к выходу из работы системы. Отклонения частоты также оказывают влияние на распределение нагрузки между параллельно работающими электростанциями.
Колебания частоты в системе вызываются большими возмущающими воздействиями: короткими замыканиями, подключением и отключением потребителей, периодическими нагрузками большой мощности. Колебания частоты могут вызвать «качания» двигателей и даже генераторов электростанций.
