КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Системы электроснабжения и электроприемники выполняют такими, чтобы наилучшее функционирование достигалось при питании их от однофазной или симметричной трехфазной системы напряжением заданной амплитуды и синусоидальной формы частотой 50 Гц. Однако в реальных электрических сетях по известным причинам возникают отклонения от идеальных параметров, что приводит к ухудшению работы установок потребителей электроэнергии, проявляющемуся в технико-экономическом ущербе.
Невнимание к качеству электроэнергии в процессе эксплуатации ЭС приводит к прогрессирующему расстройству электроснабжения и нарушениям работы электроприемников. Отклонение показателей качества электроэнергии является и результатом воздействия на ЭС электроустановок потребителей. Показатели качества электроэнергии можно разделить на две группы.
К первой группе относятся отклонения частоты и напряжения от номинальных, устраняемые системами электроснабжения.
Ко второй — колебания частоты и напряжения, несимметрия и искажение формы кривых напряжения и тока, проявляющиеся главным образом в зонах, на которые влияют особые, вызывающие эти искажения электроприемники. Степень этого влияния определяется соотношением мощности этих электроприемников и параметров ЭС. Кроме того, имеются электроприемники, чувствительные к различного рода помехам. Условия, в которых возникают эти помехи, не постоянны, так как ЭС в сочетании с установками потребителей непрерывно развиваются: изменяются параметры систем, состав и мощность электроприемников. Поэтому качество электроэнергии является объектом контроля.
Соблюдение качества электроэнергии связано с использованием:
рациональной системы показателей качества, определяющих ограничения отклонений и электромагнитной совместимости оборудования, подключенного к общей сети;
средств измерения, позволяющих без больших затрат труда оценивать качество электроэнергии и намечать обоснованные меры по его улучшению;
технических средств повышения качества электроэнергии;
методов оптимального управления качеством электроэнергии в ЭС.
Отклонения от идеальных показателей должны ограничиваться. Поэтому существуют нормы на допустимые отклонения, зафиксированные в государственных стандартах на качество электроэнергии. Эти нормы приняты во всех развитых странах, и учитывая опыт и развитие систем электроснабжения и электропотребления, постепенно изменяются применительно к реальным условиям.
В СССР показатели качества электроэнергии в точках сетей, к которым присоединяются приемники, нормируются ГОСТ 13109—87. Необходимо нормировать качество электроэнергии и в узлах ЭС, являющихся границами балансовой принадлежности сетей.
Отклонения показателей качества электроэнергии от идеальных подразделяют на нормально- и максимально допустимые. В течение 95% времени суток (22,8 ч) показатели качества электроэнергии не должны выходить за пределы нормально допустимых значений и в течение всего времени, включая послеаварийные режимы, они должны находиться в пределах максимально допустимых значений (табл. 4.1).
При аварийных ситуациях в ЭС допускается выход показателей качества за установленные пределы, в том числе снижение напряжения до нулевого уровня и отклонение частоты до ±5 Гц с последующим их восстановлением до допустимых для послеаварийных режимов максимальных значений.
*Розенкрон Я. К., Биманис В. В. Температурно-токовые защиты трансформаторов от аварийных и систематических перегрузок//Электротехника, 1985, № 8, С. 36—38.
Таблица 4.1. Допустимые отклонения показателей качества электроэнергии
Наименование показателя | Допустимое значение показателя | |
нормальное | максимальное | |
Отклонение частоты, Гц | ±0,2 | ±0,4 |
| В послеаварийных режимах допускается отклонение частоты ±0,5... — 1 Гц, общая продолжительность за год не более 90 ч | |
Отклонение напряжения (%) в электрической сети напряжением, кВ: | При определении отклонения напряжения провалы напряжения и импульсы напряжения не учитывают | |
ДО 1 | ±5 | ±10 |
6—20 | — | ±10 |
| В переходном режиме допустимы кратковременные выходы отклонения напряжения за установленные пределы | |
Размах колебаний напряжения (%) (см. §4.3): | — | В соответствии |
с кривой 1 рис. 4.13 | ||
с кривой 2 рис. 4.13 | ||
Доза колебаний напряжения (%2) в электрической сети, к которой присоединяют осветительные установки: | Показатель «доза колебаний напряжения» в действующих электрических сетях вводится по мере их оснащения соответствующими приборами, при использовании которых оценку допустимости размаха изменения напряжения на вводах осветительных установок по кривым рис. 4.13 допускается не производить | |
с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение |
| 0,018 |
Продолжение табл. 4.1
| Допустимое значение показателя | |
Наименование показателя | нормальное | максимальное |
с лампами накаливания в остальных помещениях | — | 0,034 |
с люминесцентными лампами | — | 0,079 |
Коэффициент несинусоидальности (%) в электрической сети напряжением, кВ (см. § 4.5): |
|
|
ДО 1 | 5 | 10 |
6—20 | 4 | 8 |
35 | 3 | 6 |
110 и выше | 2 | 4 |
Коэффициент гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка (%) в электрической сети напряжением, кВ (см. § 4.6): |
|
|
ДО 1 | — | 6 (3) |
6—20 | — | 5 (2,5) |
35 | — | 4 (2) |
110 и выше | — | 2 (1) |
Коэффициент обратной последовательности напряжений (%) (см. § 4.4) | 2 | 4 |
Коэффициент нулевой последовательности напряжений (%) (см. § 4.4) | 2 | 4 |
На входах приемников, являющихся источниками электромагнитных помех, значения показателей качества могут выходить за допустимые пределы, если это не приводит к нарушению норм стандарта у других приемников электроэнергии.
4.2. ОТКЛОНЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Частота в установившемся режиме является общей для ЕЭС. Изменения частоты обусловлены изменениями суммарной нагрузки и характеристиками регуляторов частоты вращения турбин. В установившемся режиме работы ЭЭС изменения частоты содержат несколько гармонических составляющих. Это объясняется тем, что на периодические изменения суммарной- нагрузки с основным периодом, равным 24 ч, накладываются случайные их изменения с периодами, исчисляемыми минутами и секундами. Большие мощности ЭЭС и современные системы регулирования частоты и мощности привели к снижению амплитуд минутных и секундных изменений частоты, выраженных слабо. Они, как правило, не превышают 0,1 Гц и их влиянием на работу электроприемников можно пренебречь. Большие отклонения частоты возникают в результате медленного регулярного изменения нагрузки при недостаточном резерве активной мощности. Изменения частоту, превышающие 0,2 Гц, существенно влияют на технико-экономические результаты работы электроприемников. Поэтому допустимые (с вероятностью 0,95) отклонения частоты равны ±0,2 Гц, а предельно допустимые отклонения — ±1,0 Гц.
Отклонение частоты от номинальной вызывает возникновение электромагнитной и технологической составляющих ущерба.
Электромагнитная составляющая ущерба приводит к увеличению расхода энергии на передачу. Считают, что снижение частоты на 1% сопровождается увеличением расхода энергии на передачу на 2%.
Технологическая составляющая вызывает снижение производительности технологического оборудования, требующего дополнительного времени работы предприятий. В ряде случаев предприятия вынуждены компенсировать этот ущерб применением более производительного оборудования (насосов, вентиляторов), потребляющего при нормальной частоте избыточное количество электроэнергии.
Поддержание нормальной частоты сводится к обеспечению необходимых резервов мощности в ЭЭС.
4.3. ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Отклонение напряжения, %,
где U — текущее значение напряжения; UНОм — номинальное напряжение.
Действующим значением напряжения в электрических сетях однофазного тока считают напряжение основной частоты U{1) (без учета гармонических составляющих), а в сетях трехфазного тока— значение напряжения прямой последовательности основной частоты U1(1).
При коэффициенте несинусоидальности, не превышающем 5%, можно вместо действующего напряжения основной частоты измерять действующее значение напряжения.
Изменение напряжения является следствием изменения нагрузки во времени, вызывающей изменение падения напряжения в элементах сети. Отклонения напряжения также зависят от уровня напряжения в точках питания электрической сети, изменяются они во времени в соответствии с изменением общей нагрузки, т. е. медленно.
V — отклонение напряжения. Подобное обозначение для отклонения напряжения, а также в сочетании с другими символами для обозначения составляющих напряжения, выражаемых в процентах от номинального, принято для упрощения применяемых в книге формул.
В различных точках сети отклонения напряжения различны. Нормальная работа электроприемников обеспечивается при условии, что отклонения напряжения на их входе равны ±5% от номинального (с вероятностью 0,95). Предельно допустимые отклонения напряжения равны ±10%.
Влияние отклонений напряжения на работу электроприемников. Относительное изменение силы света, потребляемой мощности, срока службы ламп накаливания при отклонениях напряжения характеризуется уравнением
Здесь η можно принять следующие (рис. 4.1): для светового потока, лм, (У) —3,61; для световой отдачи, лм/Вт, (2) —2,0; для мощности, Вт, (3) — 1,58; для срока службы, ч, (4) — (—13,57).
Работа люминесцентных ламп от отклонений напряжения зависит меньше. С учетом пускорегулирующих аппаратов для двух ламп их потребление можно выразить в таком виде:
Срок их службы изменяется на 4% при отклонении напряжения, равном 1%.
Сравнительно небольшие изменения напряжения мало сказываются на световом потоке лампы. При больших снижениях напряжения лампы или не загораются, или мигают, что резко сокращает срок их службы.
Освещенность рабочих мест существенно влияет на производительность труда. По имеющимся данным снижение освещенности в 1,5—2 раза снижает производительность труда на 1—2%. Кроме того, освещенность оказывает влияние на зрение, которое при пониженной освещенности резко ухудшается. Учитывая, что освещенность зависит от напряжения, к нему предъявляются достаточно жесткие требования.
Рис. 4.1. Характеристики ламп накаливания в относительных единицах
Существенно влияет отклонение напряжения на электротермические установки. Снижение напряжения приводит к увеличению длительности цикла технологического процесса, а в ряде случаев (при больших отклонениях и отсутствии регуляторов температуры) процесс вообще не может быть завершен. Сильно влияют снижения напряжения и на электролитические установки. Большие его отклонения в бытовых сетях электроснабжения приводят к массовому использованию стабилизаторов напряжения. На их изготовление расходуется дефицитная трансформаторная сталь. Использование стабилизаторов вызывает потери энергии в стали и потребление значительной реактивной мощности, вызывающей как дополнительные потери энергии на ее передачу, так и потери напряжения в сети.
Рис. 4.3. Зависимость реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями различной мощности, от отклонений напряжения
Отклонение напряжения сказывается и на работе асинхронных двигателей. От напряжения в некоторой степени зависит скорость их вращения, а следовательно, и производительность (рис. 4.2). От напряжения также зависит реактивная мощность, потребляемая двигателями (рис. 4.3).
Рис. 4.2. Изменение скорости вращения асинхронных двигателей в зависимости от отклонения напряжения для различных нагрузок
Контроль напряжения в распределительной сети производится для того, чтобы выяснить, требуется или нет вносить коррективы в настройку режима из-за изменения условий электроснабжения.
После настройки режима некоторое время его можно дополнительно не контролировать. Периодичность контроля приближенно определяется сезонными изменениями нагрузок.
Учитывая, что контроль напряжения проводится для проверки необходимости коррекции режима, нужно иметь предварительное представление о том, какой режим является желательным.
К предварительной информации относится представление о модели сети, соответствующей рис. 4.4. Персоналу известно, производится или нет встречное регулирование напряжения на шинах ЦП, а также от каких РТ питаются потребители, имеющие другой график нагрузки, чем большинство потребителей сети, например трехсменное производство.
Использование предварительной информации позволяет судить о том, какие из зафиксированных отклонений напряжения соответствуют максимальным и минимальным нагрузкам сети. Например, из рис. 4.4 следует, что при использовании встречного регулирования напряжения на начальных участках распределительной сети максимальные положительные отклонения напряжения могут соответствовать максимальным нагрузкам, причем диапазон изменения напряжения меньше диапазона встречного регулирования. Если в процессе измерения зафиксирован значительно больший диапазон изменения отклонений напряжения, то взаимосвязь обратная (максимальные напряжения соответствуют минимальным нагрузкам, а минимальные напряжения — максимальным нагрузкам).
Для получения информации нужно на некоторое время установить в сети приборы, производящие и фиксирующие измерения в форме, требующей для расшифровки незначительных затрат труда и по возможности указывающей на нужное мероприятие в случае необходимости улучшения качества напряжения.
Для улучшения качества напряжения разрабатывают мероприятия, касающиеся средств установки и регулирования напряжения.
Рис. 4.6. Изменение графика напряжения с помощью его смещения на AU
К средствам установки напряжения относятся: ответвления ПБВ распределительных трансформаторов, нерегулируемые конденсаторные батареи и уставки уровня напряжения автоматических регуляторов напряжения трансформаторов ЦП. Переключение ПБВ и включение в работу нерегулируемых конденсаторных батарей на стороне НН РТ приводит к смещению напряжения без изменения его характера (рис. 4.6). Изменение уставки регулятора напряжения приводит к смещению напряжения всех РТ, питающихся от ЦП.
Рис. 4.7. Изменение графика напряжения воздействием на диапазон изменения напряжения: 1 — исходный график напряжения; 2 — устанавливаемые графики напряжения
К средствам регулирования напряжения относятся уставка встречного регулирования регулятора ЦП, регулируемые конденсаторные батареи, а также другие средства регулирования, изменяющие конфигурацию графика напряжения (рис. 4.7). Эти средства служат для ввода изменения напряжения в желательный диапазон. После использования средств регулирования может потребоваться изменение положений ответвлений ПБВ или применение других средств установки напряжения.
Нецелесообразно использовать указывающие и регистрирующие приборы для получения информации об отклонениях напряжения, так как для обработки информации требуются большие затраты труда.
Измерения можно производить устройствами, осуществляющими передачу информации по каналу на анализирующую ЭВМ. Информацию записывают и на машинные носители информации, с которых затем она считывается и анализируется на ЭВМ. Можно применять специальные компактные приборы типа статистических, производящие измерения, запоминание и предварительную обработку информации в форме, удобной для последующего использования.
Учитывая, что отклонения напряжения должны находиться в нормируемых пределах с вероятностью 0,95, целесообразно представлять информацию в виде плотности распределения или вероятности выхода за пределы норм. В этом случае определяются:
—диапазон, в пределах которого оказалось отклонение напряжения;
— расположение этого диапазона относительно желаемой области.
Информация, полученная в виде гистограммы (рис. 4.8), удобна для использования. Гистограммы бывают: узкими несмещенными; узкими смещенными; широкими несмещенными; широкими смещенными.
Если гистограмма узкая несмещенная, то положение с отклонениями напряжения нормальное. При узкой смещенной гистограмме необходимо изменить ответвление ПБВ РТ для ее смещения в желаемую область.
Рис. 4.8. Гистограммы отклонений напряжения: а — узкая несмещенная; б —узкая смещенная; в — широкая
Учитывая, что смещение фиксировано, а характер процесса не изменяется, после изменения рабочего ответвления не требуется повторного измерения.
Широкие гистограммы свидетельствуют о том, что либо на ЦП нет встречного регулирования напряжения (недостаточен его диапазон), либо необходимо дополнительное местное средство регулирования или реконструкция сети. После изменения положения требуется повторный контроль.
Алгоритм контроля отклонений напряжения в распределительной сети приведен на рис. 4.9. Измерение производилось в сети со встречным регулированием напряжения в ЦП. Диапазон встречного регулирования напряжения можно определить с помощью гистограммы, полученной для шин ЦП, оказавшийся рав-
ным 8%. Из 20 измерений в 15 случаях гистограммы оказались узкими несмещенными. На этих РТ положение нормально.
В трех случаях гистограммы оказались узкими, смещенными в сторону высоких напряжений. На этих РТ пришлось изменить ответвления ПБВ. В одном случае гистограмма оказалась широкой, что, как в дальнейшем выяснилось, объясняется наличием трехсменного потребителя на начальном участке сети. Этот потребитель должен применить местное средство регулирования напряжения (линейный регулятор или регулируемую конденсаторную батарею). В противном случае приходится уменьшать диапазон встречного регулирования напряжения, что ухудшает напряжение у всех остальных электроприемников.
Из вышеизложенного следует, что возможность изменения средств установки напряжения без последующего контроля позволяет ориентироваться на информацию в виде интегральной плотности распределения отклонений напряжения, дающей возможность достаточно точно (для практических целей) судить о положении и мероприятиях, необходимых для его улучшения.
Рис. 4.9. Алгоритм контроля отклонения напряжения
Рассмотренные выше требования предъявляются к напряжению на зажимах электроприемников. Контроль же отклонений напряжения в других узлах электрической сети связан в большинстве случаев с сопоставлением результатов измерения и расчета, требующих выявления временных функций процессов. Исключение составляют шины сетей НН (0,38 кВ), напряжение на которых обычно должно находиться в диапазоне —2%. Контроль можно осуществлять для периодов, соответствующих годовым максимальным и минимальным нагрузкам в точках, характеризующих режим и принимаемых на основе знания распределительной сети и опыта эксплуатации.
Современный уровень эксплуатации для каждой распределительной сети предполагает наличие математической модели, реализованной на ЭВМ. С помощью модели можно определить режим отклонений напряжения на шинах и выбрать наилучший диапазон встречного регулирования напряжения . Измерения отклонений напряжения в электрических сетях в этом случае служат для проверки достоверности модели и позволяют при необходимости вносить в нее коррективы.
