Баланс мощности в электрической системе может отвечать только некоторым определенным значениям Частоты и напряжения в узлах нагрузки. Связь между изменениями генерируемой мощности и параметров качества электроэнергии при постоянной нагрузке характеризуется следующими выражениями
а) для частоты:
Таким образом, изменение баланса мощностей влияет на изменение частоты и напряжения, т. е. нарушение баланса мощности приводит к установлению нового режима в системе, сбалансированного при иных (по сравнению с исходными значениями) показателях качества электроэнергии. Снижение генерируемой активной мощности уменьшает частоту и напряжение в системе, а ее возрастание обусловливает рост как частоты, так и напряжения. Снижение выдачи реактивной мощности вызывает дефицит реактивной мощности и определяет снижение напряжения. Рост потребления активной мощности соответствует уменьшению генерируемой активной мощности, а возрастание потребления реактивной мощности равносильно дефициту генерируемой реактивной мощности. Итак, регулируя активную и реактивную мощности в системе, можно поддерживать показатели качества электроэнергии на должном уровне.
Известно, что активная мощность может вырабатываться генераторами электростанций различных типов в системе, а также электростанциями промышленных предприятий. Генерирование же реактивной мощности осуществляется и электростанциями, и специальными источниками реактивной мощности, имеющимися у потребителей.
В промышленных электросетях качество электроэнергии зависит от схем электроснабжения, качества электротехнической «оборудования (трансформаторы, двигатели, осветительные лампы и др.), надежности работы переключающих устройств в трансформаторах, типа и мощности компенсирующих устройств, наличия централизованного или местного регулирования напряжения, структуры и мощности электроприемников, установленных на предприятии, и т. д.
Вот тот неполный перечень факторов, влияющих на качество электроэнергии в основных звеньях энергетической цепи. Казалось бы, здесь учтены все этапы обеспечения народного хозяйства надлежащим качеством электроэнергии. Но эти факторы не будут способствовать основной цели — повышению качества электроэнергии во всей энергетической цепи, если не учитывать прямые и обратные связи между указанными звеньями и этапом научных исследований и проектирования. В первую очередь это связано с проведением исследований по выявлению влияния отклонений показателей качества электроэнергии на эффективность промышленного производства, с установлением норм и пределов отклонения показателей качества, расчетом энергетических балансов предприятий, разработкой и применением новых специальных технических средств для регулирования и контроля за показателями качества и др.
На стадии проектирования — это работы по созданию инженерных методов расчета качества электроэнергии, разработке надежных переключающих устройств для трансформаторов, по совершенствованию методов расчета средств, уменьшающих воздействие отклонений показателей качества электроэнергии на питающие сети (реакторы, фильтры, компенсаторы), построение рациональных схем электроснабжения (с учетом величин мощности короткого замыкания в центрах или узлах нагрузки).
На наш взгляд, основные этапы обеспечения надлежащего качества электроэнергии должны включать в себя: планирование производства электроэнергии; научно-исследовательские работы и проектирование; стадии производства, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; государственный надзор за качеством электроэнергии.
Основные этапы обеспечения качества, прямые и обратные связи между ними показаны на схеме 1. На каждом этапе существуют конкретные задачи, решение которых на стадии планирования производства электроэнергии связано с установлением объема производства электроэнергии при учете основных направлений развития народного хозяйства страны и требований, предъявляемых к качеству функционирования электроэнергетических систем. На стадии научно-исследовательских работ и проектирования — с изучением возможностей производства электроэнергии установленного количества и требуемого качества путем проведения исследований уровня качества электроэнергии во всех звеньях энергетической цепи, с изучением степени насыщенности систем электроснабжения средствами, уменьшающими воздействие отклонений показателей качества на питающие сети, а также регулирующими устройств ми для централизованного и местного управления качества энергии.
Схема 1. Этапы обеспечения качества электроэнергии.
На стадии производства, преобразования и распределен электроэнергии задачи по обеспечению качества электроэнергии связаны с постоянным контролем балансов активной и реактивной мощностей и мероприятиями по их поддержанию соответствии с задачей удовлетворения потребностей электроприемников электроэнергией установленного количества и надлежащего качества. На стадии потребления электроэнергии с рациональной организацией эксплуатации электроэнергетического оборудования предприятий. Сюда входят задачи по контролю баланса реактивной мощности и показателей качеств электроэнергии, проведение технико-экономических обоснована эффективности установки и использования компенсирующие и регулирующих устройств, сбор и передача информации о качестве электроэнергии и возможных ее изменениях в перспектива в научно-исследовательские и проектные организации, а также и управление энергетической системы (в отдел по управлению качеством продукции), т. е. осуществление обратной связи. Из стадии государственного надзора за качеством электроэнергии — с осуществлением действенного контроля за уровнем качества на всех этапах его формирования. Этот контроль предполагает увязку разработанного проектными и научно-исследовательскими организациями введенного в действие ГОСТа на качестве электроэнергии с энергосистемой и потребителями электроэнергии, разрешение конфликтных ситуаций, касающихся качества электроснабжения и других вопросов, связанных с ним на всех этапах, а также согласование проектируемых и внедряемых на стадиях производства, преобразования, распределения и потребления электроэнергии мероприятий по повышению ее качества (в число этих мероприятий входят организационные, например разработка и внедрение шкалы скидок и надбавок за поддержание качества электроэнергии на должном уровне), управление государственного надзора за качеством электроэнергии должно увязывать вопросы обеспечения народного хозяйства электроэнергией надлежащего качества с организацией, планирующей объем производства электроэнергии. В этом случae государственный надзор, учитывая уровень качества электроэнергии в народном хозяйстве, обращает внимание планирующих организаций на необходимость выделения или перераспределения капитальных вложений и трудовых ресурсов, надавленных на мероприятия по обеспечению надлежащего качества электроэнергии.
Рассмотрение в комплексном виде предлагаемых этапов пpoцecca обеспечения качества электроэнергии позволяет вышить слабое звено и причины, обусловливающие снижение электромагнитной совместимости питающих и распределительных электросетей и пониженное качество электроэнергии, поступающей для нужд народного хозяйства.
В настоящее время нет научно обоснованного подхода к распределению капитальных вложений и трудовых ресурсов, направляемых на обеспечение качества электроэнергии. До сих пор при организации управления качеством электроэнергии не уделялось достаточно внимания этапам проектирования электроэнергетических систем, производства электроэнергии и государственного надзора за качеством электроэнергии. В то же время на стадиях проведения научных исследований и потребления электроэнергии уже на протяжении 10—15 лет ведется целенаправленная оптимизация качества электроэнергии. Так, исследование вопросов качества напряжения, и в частности несинусоидальности и колебаний напряжения, показало необходимость проведения уже в настоящее время мероприятий по защите от воздействия отдельных электроприемников на качество электроэнергии. Однако требования эксплуатации в данной области далеко опередили возможности проектирования. На это обращалось внимание на конференции по качеству электроэнергии в сетях промышленных предприятий: «При разработке новых электроприемников необходимо учитывать влияние, которое они могут оказывать на питающую сеть. При оценке целесообразности применения тех или иных электроприемников должны приниматься во внимание дополнительные устройства, предотвращающие ухудшение качества электрической энергии» [44].
Для энергетических систем этот вопрос приобретает еще большее значение, так как влияние отклонений показателей качества электроэнергии, вызываемое в основном работой дельных приемников электроэнергии (несинусоидальность, колебания напряжения), на энергооборудование и технико-экономические показатели энергосистемы почти не изучено.
Для улучшения качества напряжения в 1971 —1975 гг. был изготовлено 12 тыс. трансформаторов с РПН (регулирования напряжения под нагрузкой) общей мощностью 280 млн кВ-А Практика показала большую эффективность таких трансформаторов, но их выпускается еще недостаточно, особенно для напряжений 35/6—10 кВ, и стоимость их еще высока.
Таким образом, основными способами повышения качества электроэнергии в питающих сетях следует считать рациональное построение схем электроснабжения и применение специальных технических средств.
В электрических сетях промышленных предприятий особое внимание следует уделять компенсации резкопеременной и вентильной нагрузки. Компенсация реактивной мощности в сетях с такими нагрузками имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать в эксплуатации и проектной практике. К этим особенностям относятся наличие постоянной и переменной составляющей реактивной мощности, необходимость быстродействующих компенсирующих устройств и пофазного их регулирования, ограничение применения статических конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности (из-за перегрузки конденсаторов высшими гармониками при работе вентильных преобразователей).
Для тепловой энергии и топлива вопросы их качества нами рассматриваются также комплексно с учетом изменения затрат во всех элементах энергетической цепи от получения до потребления этих продуктов.
Выше было показано, что понижение качества тепловой энергии вызывается такими причинами, как ограниченность производительности котельной, увеличение потерь давления и температуры теплоносителей, отсутствие регулирующих устройств или ухудшение качества эксплуатации тепловых сетей и теплопотребляющих установок. Ликвидация этих причин будет способствовать повышению качества тепловой энергии.
К основным направлениям по повышению качества тепловой энергии можно отнести следующие:
- повышение централизации систем теплоснабжения потребителей и построение рациональных схем энергоснабжения;
- установление научно обоснованной системы нормирования пределов отклонений показателей качества тепловой энергии для различных потребителей;
- разработка тепловых балансов потребителей и выявление структуры потерь, связанных с параметрами тепловой энергии;
- проектирование, производство и внедрение в промышленность системы приборов для учета и анализа показателей качества тепловой энергии;
- выявление и сокращение потерь тепла на технологические и силовые процессы;
- совершенствование и разработка новых видов регулирующих устройств (регуляторов давления, аккумуляторов и т. д.);
- оптимизация давлений пара перед технологическими и силовыми установками с учетом влияния качества тепла на их работу;
К основным направлениям повышения качества топлив можно отнести:
- разработку и добычу топлив с малым содержанием пород и вредных примесей;
- совершенствование способов обогащения топлив;
— разработку новых и улучшение известных способов сжигания топлив (например, для углей — применение смесей из различных топлив; для мазута — борьба с образованием серно-кислых соединений).
Таким образом, из изложенного видно, что повышение качества любого вида энергии и топлива связано с дополнительны ми затратами на всех стадиях энергетической цепи, причем эти затраты на каждой стадии энергетического производства различны и зависят от многих факторов, которые отражают степень использования достижений науки и техники в топливно- энергетическом комплексе (ТЭК) страны, состояние и динамику его развития, совершенство способов и методов регулирования показателей качества энергии и качества топлива, социально-экономические предпосылки повышения качества энергии и топлива на конкретном этапе развития социалистического общества. Поэтому важно определить такое качество энергии или топлива, которое обусловливало бы минимум затрат народного хозяйства на производство, преобразование, распределение и использование этих энергетических продуктов. Так возникает задача нахождения оптимального качества энергии или топлива для удовлетворения конкретной потребности производства.
