Общие положения
В условиях непрерывного совершенствования и развития новых технологических процессов, автоматизации производства, внедрения в быт все большего числа электрических приборов и аппаратов качество электроэнергии приобретает все большее значение.
Для электрических сетей переменного тока показателями качества электрической энергии являются допустимые отклонения и колебания частоты и напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, смещение нейтрали и несимметрия напряжений основной частоты.
Технические требования к качеству электроэнергии у ее приемников при нормальных и послеаварийных эксплуатационных режимах работы электрических систем и стационарных электрических сетей общего назначения переменного тока частотой 50 Гц и постоянного тока устанавливаются ГОСТ 13109—67 «Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения». Далее излагаются основные требования, вытекающие из ГОСТа.
В городских и других сетях, где нагрузки зависят от многих случайных, и к тому же часто изменяющихся, факторов требования ГОСТа должны выполняться не менее чем в 95% случаев.
При рассмотрении вопроса о требованиях к уровням напряжения следует различать:
а) сравнительно медленно протекающие изменения напряжения, обусловливаемые изменениями режимов напряжения центра питания и режимов нагрузок сети, при которых скорость изменения напряжения меньше 1% в секунду; такие изменения называются отклонениями напряжения. О допустимых величинах отклонений напряжения было сказано в § 6.1;
б) быстро протекающие, кратковременные изменения напряжения, вызываемые работой электроприемников, например, включением короткозамкнутого электродвигателя, рентгеновского аппарата в больнице, коротким замыканием и пр., когда скорость этих изменений больше 1% в секунду. Такие изменения напряжения называются колебаниями напряжения. Колебание напряжения характеризуется разностью между наибольшим Umax и наименьшим Umin действующими значениями напряжения:
Если колебания напряжения выражаются в процентах от номинального напряжения, то
(6.37
Регламентируемые величины колебании напряжения сверх допускаемых отклонений напряжения на зажимах осветительных ламп и радиоприборов в зависимости от частоты их повторения определяются по формуле 3.1, приведенной в гл. III.
Для отдельных установок с резко переменным характером нагрузки (например, в электрических сетях металлургических заводов с прокатными станами) допускаются колебания напряжения до 1,5% от номинального при неограниченной их частоте.
В электрических сетях сельскохозяйственных районов и в сетях, питающихся от шин тяговых подстанций электрифицированного транспорта, при наличии специальных технико-экономических обоснований с разрешения Министерства энергетики и электрификации СССР, допускаются другие значения колебаний напряжения.
Упомянутый ГОСТ 13109—67 устанавливает также требования к отклонениям частоты, т. е. к разности между фактическим и номинальным ее значением, усредненным за 10 мин. Величина отклонения частоты должна быть не более ±0,1 Гц. Временная работа энергосистемы допускается с отклонением частоты не более ±0,2 Гц.
Сверх допустимых отклонений частоты возможны колебания частоты не более ±0,2 Гц.
Колебаниями частоты называется разность между наибольшим и наименьшим ее значениями в процессе быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения основной частоты не меньше 0,2 Гц в секунду.
В жилых и общественных зданиях осветительные, бытовые и некоторые силовые электроприемники обычно бывают однофазными. В районах с малоэтажной застройкой (небольшие города, поселки и т. д.) к трехфазным наружным магистральным линиям
присоединяются однофазные вводы в дома или выполняются однофазные и двухфазные ответвления на группу домов или даже на целую улицу. На промышленных предприятиях также применяется немало однофазных электроприемников (сварочные аппараты, нагревательные печи и т. д.). В этих условиях создать одинаковую нагрузку фаз практически невозможно.
Так, например, по опытным данным даже в кабельных сетях Москвы и Ленинграда, где вводы в крупные жилые здания выполняются, как правило, трехфазными, нагрузки по фазам отличаются на 20—25% и более, особенно в домах с электроплитами.
Как известно, несимметричные нагрузки вызывают смещение нейтрали и дополнительные отклонения напряжения в отдельных фазах сети в разных (положительном и отрицательном) направлениях. Имея в виду, что все средства регулирования напряжения, как правило, воздействуют на все три фазы электрической сети, для того, чтобы отклонения напряжения у электроприемников не выходили за допустимые пределы, приходится ориентироваться либо на соответственно повышенные нагрузки, либо на соответственно сниженные допустимые потери напряжения. Величина асимметрии выявляется многочисленными и длительными измерениями в различных пунктах сети, и после математической обработки в расчетные формулы вводятся поправочные коэффициенты, позволяющие затем вести расчеты потерь напряжения, как для сети с равномерной нагрузкой фаз.
При несимметричной нагрузке фазные отклонения напряжения состоят из двух составляющих — отклонений, соответствующих режиму равномерно нагруженной сети (Vcим), и отклонений, определяемых несимметричными нагрузками. Последние имеют различные величины для разных фаз (Vнс.а; Vнс.в; Vнс.с). Общие отклонения напряжения в каждой фазе с учетом обеих слагающих могут быть определены из следующих выражений [Л. 47]:
Прямая, обратная и нулевая последовательности — величины, применяемые при расчетах несимметричной трехфазной системы методом симметричных составляющих (см., например, Ф. Е. Евдокимов «Теоретические основы электротехники», Изд-во «Высшая школа», 1968 г.).
Согласно ГОСТ 13109—67 в трехфазной распределительной сети с однофазными осветительными и бытовыми электроприемниками напряжения обратной и нулевой последовательностей (с учетом других факторов) не должны превышать значений, при которых значения отклонений напряжения не выходят за допустимые пределы (см. § 6.1).
ГОСТ устанавливает также, что несинусоидальность формы кривой напряжения не должна вызывать появление высших гармонических составляющих; действующее значение от всех гармоник не должно превышать 5% от действующего значения напряжения основной частоты.
Установлено, что при нарушении требований ГОСТа (тестированные параметры систематически контролируются) электроснабжающие организации и потребители имеют право применять взаимные рекламации и санкции в установленном порядке.
Влияние отклонений и колебаний напряжения на работу электроприемников
Отклонения напряжения оказывают серьезное влияние на работу электроприемников и сети в целом. Так, в осветительных установках повышение напряжения приводит к резкому сокращению срока службы ламп накаливания, а снижение напряжения резко сокращает световой поток, а следовательно, и освещенность. В меньшей степени, но отклонения напряжения вредны и для газоразрядных источников света (об этом подробнее см. § 6.1 и гл. XV). Наряду с ухудшением светотехнических характеристик источников света повышенные отклонения напряжения вызывают изменение потребления мощности и электроэнергии. Так, например, по данным Латвийской энергосистемы увеличение напряжения на 1 % вызывает увеличение тока в сети в ночные часы и часы провалов нагрузки на 1,2—1,8%. Это в свою очередь вызывает повышение потерь и непроизводительный расход электроэнергии.
Повышение напряжения в ночные часы вызывает массовое перегорание ламп на лестничных клетках и в других общих помещениях жилых домов.
Электронагревательные приборы потребляют практически только активную мощность, пропорциональную квадрату напряжения. Повышение напряжения вызывает перегрев сопротивлении и повышение потерь в сети, а его понижение — удлинение времени нагрева. В условиях промышленности это ведет к снижению производительности оборудования, т. е. к народнохозяйственному ущербу. Как уже отмечалось раньше, у асинхронных электродвигателей при пониженном напряжении снижается вращающий момент, увеличивается скольжение, соответственно уменьшается скорость приводимых механизмов, а следовательно, и их производительность. Вследствие возрастания тока (при постоянном моменте нагрузки) увеличиваются потери, нагрев двигателя и происходит более быстрый износ изоляции. Соответственно повышение напряжения вызывает возрастание намагничивающего тока, уменьшение коэффициента мощности и в итоге ухудшение режима и снижение экономичности работы сети. Для приблизительной оценки можно принимать, что повышение напряжения на 1 % приводит в среднем к росту реактивной мощности, потребляемой трехфазными асинхронными двигателями на 3%. Весьма чувствительны к изменениям напряжения радиоприемники и телевизоры, особенно последние. Активная и реактивная мощности, потребляемые этими приборами, уменьшаются при пониженном напряжении на их зажимах и увеличиваются при повышенном напряжении.
Нестабильность напряжения и се влияние на качество работы телевизоров вызывают массовое применение индивидуальных стабилизаторов напряжения, количество которых у населения все более возрастает. Кроме того, применение индивидуальных стабилизаторов напряжения вызывает ухудшение режима работы городской сети, так как коэффициент мощности телевизоров при этом снижается с 0,95 до 0,88, что в свою очередь увеличивает потери энергии. Следовательно, применение индивидуальной стабилизации напряжения наносит прямой ущерб народному хозяйству. Очень чувствительны к изменениям напряжения косинусные конденсаторы, применяемые в промышленности для компенсации коэффициента мощности (см. гл. IX).
Как известно, реактивная мощность конденсаторов пропорциональна квадрату напряжения. Повышение напряжения сверх допустимого (10% по ГОСТу) вызывает возрастание тока и перегрузку конденсаторов. При частых повышениях напряжения в ночные смены может произойти массовый их выход из строя.
Качество электросварки ухудшается при снижении напряжения. Для рационального ведения режима сварки отклонения напряжения не должны превышать ±5%, в исключительных случаях—10%. В лечебных учреждениях уровень напряжения имеет важнейшее значение для рентгеновских и некоторых других медицинских аппаратов.
В условиях промышленности ухудшение качества напряжения относительно легко оценивается экономически с учетом снижения производительности станков, механизмов и производительности труда рабочих.
Иное дело — оценка ущерба в сети, снабжающей энергией жилищно-коммунальных потребителей. Здесь наряду с прямым ущербом от перерасхода ламп в домоуправлениях, преждевременного выхода из строя электродвигателей лифтов, насосных станций и тепловых пунктов и т. д. имеется и косвенный ущерб, вызываемый ускоренным выходом из строя частей телевизоров и радиоприемников, выпуск которых приходится из-за этого увеличивать, а также затратой материальных и других ресурсов на производство индивидуальных стабилизаторов напряжения и т. д. Из вышеизложенного видно как важно поддерживать отклонения напряжения в сети в пределах нормы.
Если с учетом режима на центрах питания (ЦП) отклонения напряжения получаются у потребителей больше предельных предписанных ПУЭ и ГОСТом, то в сетях необходимо предусматривать специальные технические мероприятия по регулированию напряжения.
Определение отклонений напряжения
Рис. 6.11. Схема (а) и график изменения уровней и отклонений напряжения (б) в распределительной
сети:
Л-1 и Л-2— линии среднего и низкого напряжения; К — контрольная точка сети. Сплошными линиями показано изменение напряжения при максимальной нагрузке, пунктирными — при минимальной
В течение суток нагрузки в распределительной сети изменяются, что, естественно, приводит и к изменениям потерь напряжения. Поэтому важно оценить связь между потерями и отклонениями от номинального напряжения для различных режимов, обычно для режимов наибольших и наименьших нагрузок.
Рассмотрим простейшую распределительную сеть с одной трансформацией 10/0,4 кВ, представленную на рис. 6.11.
Пусть в центре питания (точка А) поддерживается неизменно напряжение, равное 1,05 Uном.
Зная величины отклонений напряжения, легко найти величины напряжений (см. график рис. 6.11, б) в относительных и абсолютных единицах для режимов наибольших и наименьших нагрузок, добавив к величине Uном соответствующие отклонения напряжения (со своим знаком).
Как указано в табл. 6.1, для каждого электроприемника допускаются определенные отклонения напряжения, например для асинхронных электродвигателей V=±5%. Это значит, что предельно допустимые напряжения на зажимах электродвигателя при номинальном напряжении 380 в составляют
Указанные предельные значения напряжений принято называть желаемыми напряжениями, а все промежуточные значения, заключенные между ними — зоной желаемых напряжений.
Метод оценки отклонении напряжения, при котором определяются отклонения напряжений при наибольших и наименьших нагрузках для ближайшего и наиболее удаленного приемников энергии, носит название метода оценки по предельным отклонениям.
Такой метод широко применяется для расчетов промышленных сетей. Однако он имеет существенные недостатки, снижающие объективность оценок.
Рассматривая режимы лишь для крайних электроприемников, не учитывают отклонения напряжения у всех промежуточных приемников. Между тем иногда бывает целесообразно увеличить отклонения напряжения у одного-двух крайних электроприемников сверх нормы для улучшения режима напряжения у основной массы приемников, присоединенных к данной линии. Кроме того, метод оценки по предельным отклонениям не учитывает длительности существования того или иного режима. В результате такая оценка может привести к неоправданным капитальным затратам на сооружение сети.
Более объективным методом оценки качества напряжения является метод оценки по так называемым интегральным критериям напряжения.
Пользуясь этими методами, можно определить вероятное время работы сети с различными отклонениями напряжения вместо определения допустимых пределов. Детальное описание вероятностных и статистических методов количественной оценки качества напряжения выходят за пределы данной книги. Более подробно с этим вопросом можно ознакомиться в [Л. 47].
Способы и средства регулирования напряжения
Для обеспечения некоторых заранее заданных значений отклонений напряжений у электроприемников применяются следующие способы:
- Регулирование напряжения на шинах центра питания;
- Изменение величины потери напряжения в элементах сети;
- Изменение величины передаваемой реактивной мощности.
- Изменение коэффициента трансформации трансформаторов.
- Регулирование напряжения на центре питания (ЦП) приводит к изменениям напряжения во всей присоединенной к ЦП сети и называется централизованным, остальные способы регулирования изменяют напряжение на определенном участке и называются местными способами регулирования напряжения. В качестве ЦП городских сетей могут рассматриваться шины генераторного напряжения ТЭЦ или шины низшего напряжения районных подстанций или подстанций глубокого ввода.
Отсюда вытекают и способы регулирования напряжения. На генераторном напряжении оно производится автоматически изменением тока возбуждения генераторов. Отклонения от номинального напряжения допускаются в пределах ±5%. На стороне низшего напряжения районных подстанций регулирование осуществляется при помощи трансформаторов с регулированием под нагрузкой (РПН), линейных регуляторов (ЛР) и синхронных компенсаторов (СК). При различных требованиях, предъявляемых потребителями, устройства для регулирования могут применяться совместно. Возможные варианты регулирования напряжения на ЦП показаны на рис. 6.12. Такие системы носят название централизованно-группового регулирования напряжения.
Рис. 6.12. Принципиальные схемы централизованного регулирования напряжения на ЦП:
ТРПН — трансформатор с устройством регулирования под нагрузкой; СК — синхронный компенсатор; ЛР — линейный регулятор (регулируемый вольтодобавочный трансформатор или автотрансформатор)
На шинах ЦП, как правило, осуществляется встречное регулирование, т. е. такое регулирование, при котором в часы наибольших нагрузок, когда потери напряжения в сети тоже наибольшие, напряжение повышается, а в часы минимальных нагрузок — понижается.
Трансформаторы с РПН позволяют осуществить довольно большой диапазон регулирования до ±10-12%, а в некоторых случаях (трансформаторы типа ТДН с высшим напряжением 10 кВ) до 16% при 9 ступенях регулирования. Существуют конструкции для плавного регулирования под нагрузкой, но они пока дороги и применяются в исключительных случаях, при особенно повышенных требованиях.
- Изменение потери напряжения в элементах сети может осуществляться изменением сопротивлений цепи например, изменением сечений проводов и кабелей, отключением или включением числа параллельно включенных линий и трансформаторов.
Выбор сечений проводов, как известно, производится из условий нагрева, экономической плотности тока и по допустимой потере напряжения, а также по условиям механической прочности.
Однако расчет сети, особенно высокого напряжения по допустимой потере напряжения, не всегда обеспечивает нормируемые отклонения напряжения у электроприемников. Поэтому в ПУЭ (1—2-42, -43, -44, -68, -69, -70) нормируются не потери, а отклонения напряжения.
Реактивное сопротивление сети можно изменять при последовательном включении конденсаторов (продольная емкостная компенсация).
Продольной емкостной компенсацией называется способ регулирования напряжения, при котором последовательно в рассечку каждой фазы линии включаются статические конденсаторы для получения надбавок напряжения.
Известно, что суммарное реактивное сопротивление электрической цепи определяется разностью между индуктивным и емкостным сопротивлениями
Изменяя величину емкости включаемых конденсаторов, а следовательно, и величину хС, можно получить различные величины потери напряжения в линии, что равнозначно соответствующей надбавке напряжения на зажимах электроприемников. Последовательное включение конденсаторов в сеть целесообразно при невысоких коэффициентах мощности в воздушных сетях, в которых потеря напряжения в основном определяется ее реактивной составляющей. Продольная компенсация особенно эффективна в сетях с резкими колебаниями нагрузки, так как ее действие совершенно автоматическое и зависит от величины протекающего тока.
Следует также учитывать, что продольная емкостная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания в сети и может быть причиной резонансных перенапряжений, что требует специальной проверки. На рис. 6.13 показана принципиальная схема установки продольной компенсации. Разрядник Р служит для защиты конденсаторов от перенапряжений, возникающих при протекании тока короткого замыкания, добавочное сопротивление R и катушка контактора КТ — для предохранения разрядника от оплавления при протекании значительного тока. Трансформатор TH предназначен для измерения напряжения и снятия остаточного заряда с конденсаторов после их отключения.
Один из приемов выбора батареи конденсаторов для продольной компенсации рассмотрим на примере.
Из примера следует, что для целей продольной компенсации нет необходимости устанавливать конденсаторы, рассчитанные на полное рабочее напряжение сети, однако они должны иметь надежную изоляцию от земли.
- Изменение величины передаваемой реактивной мощности. Реактивная мощность может вырабатываться не только генераторами электростанций, но и синхронными компенсаторами и перевозбужденными синхронными электродвигателями, а также статическими конденсаторами, включаемыми в сеть параллельно (поперечная компенсация).
Мощность компенсационных устройств, которые должны быть установлены в сети, определяется балансом реактивной мощности в данном узле энергосистемы на основе технико-экономических расчетов.
Синхронные двигатели и батареи конденсаторов, являясь источниками реактивной мощности, могут оказать существенное влияние на режим напряжения в электрической сети. При этом автоматическое регулирование напряжения в сети синхронными двигателями может осуществляться плавно. В качестве источников реактивной мощности на крупных районных подстанциях часто применяются специальные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие в режиме холостого хода. Такие двигатели называются синхронными компенсаторами.
Наибольшее распространение в промышленности имеет серия электродвигателей СМ, изготовляемых на номинальное напряжение 380—660 в, мощностью 56—176 кВт, рассчитанных на нормальную работу при опережающем коэффициенте мощности, равном 0,8. Из крупных машин можно отметить серию МС-320-324, мощностью от 145 до 12 200 кВт, напряжением 3—6 кВ, шунтовый регулятор возбуждения которых позволяет плавно изменять напряжение от 85 до 100%.
Мощные синхронные компенсаторы (они выпускаются мощностью 5 и 15 мвар) устанавливаются, как правило, на районных подстанциях, а синхронные двигатели чаще применяются для различных приводов в промышленности.
Влияние синхронного компенсатора (без учета незначительных потерь активной мощности) на напряжение легко представить, написав формулы для потери напряжения до и после включения компенсатора
Из выражения для ∆U' видно, что перевозбужденный синхронный компенсатор снижает потерю напряжения в сети (недовозбужденный будет ее повышать, так как перед Qск тогда надо поставить знак +, однако такой режим применяется редко ввиду его неэкономичности).
При использовании синхронных двигателей для регулирования напряжения следует учитывать необходимость снижения активной мощности при изменении коэффициента мощности машины.
Технические показатели (в относительных единицах), которые можно использовать при отсутствии заводских данных, приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Технические данные синхронного двигателя при изменяющейся величине его коэффициента мощности в опережающем режиме (перевозбуждение)
Расчетная мощность двигателя для данного режима определяется умножением величины, указанной в таблице, на величину номинальной мощности.
Рис. 6.14. Схема участка распределительной сети с батареей конденсаторов (а), схема замещения сети (б), векторные диаграммы работы сети при отключенной нагрузке (в) и с нагрузкой (г):
1, 2 — точки литания и подключения нагрузки; ВЛ — участок воздушной линии; Н — нагрузка; БК — батарея конденсаторов
Наличие относительно больших потерь энергии в синхронных двигателях затрудняет их применение в сетях с небольшими нагрузками. Как показывают расчеты, в этом случае более целесообразны батареи статических конденсаторов. Принципиально влияние конденсаторов поперечной компенсации на уровни напряжения в сети аналогично влиянию перевозбужденных синхронных двигателей. Более подробно о конденсаторах сказано в гл. IX, где они рассматриваются с точки зрения повышения коэффициента мощности. Здесь для наглядности приведем лишь схему включения и векторную диаграмму, показывающие влияние конденсаторов на уменьшение потери напряжения в сети (рис. 6.14). Из диаграммы видно, что при отключенной нагрузке напряжение в конце линии может оказаться выше, чем в начале.
Технические характеристики наиболее распространенных бумажно-масляных конденсаторов для поперечной компенсации марки КМ и для продольной компенсации — КПМ приведены в табл. 6.4.
Существует ряд схем автоматизации компенсационных батарей. Такие устройства выпускаются промышленностью в комплекте с конденсаторами.
Технические характеристики конденсаторов
- Изменение коэффициентов трансформации трансформаторов. Выпускаемые в настоящее время силовые трансформаторы напряжением до 35 кВ для установки в распределительных сетях снабжены переключателями ПБВ1 для переключения регулировочных ответвлений в первичной обмотке. Таких ответвлений обычно 4, кроме основного, что позволяет получить пять коэффициентов трансформации или следующие надбавки напряжения:
ответвлению +5% соответствует надбавка 0%
» +2,5%
» +2,5%
» 0% (номинальные)
» 5%
» -2,5% » » +7,5%
» —5% » » +10%
Перестановка ответвлений — наиболее дешевый способ регулирования, но он требует отключения трансформатора от сети, а это вызывает перерыв, хотя и кратковременный, в питании потребителей, поэтому он применяется только для сезонного регулирования напряжения, т. е. 1—2 раза в год перед летним и зимним сезонами.
Для выбора наивыгоднейшего коэффициента трансформации существует несколько расчетных и графических методов.
Рассмотрим здесь лишь один наиболее простои и наглядный. Порядок расчета следующий:
- По ПУЭ принимают допустимые отклонения напряжения для данного потребителя (или группы потребителей).
- Приводят все сопротивления рассматриваемого участка цепи к одному (чаще к высокому) напряжению (см. гл. XII).
- Зная напряжения в начале сети высшего напряжения, вычитают из него суммарную приведенную потерю напряжения до потребителя для требуемых режимов нагрузки.
ПБВ — переключатель без возбуждения.
4. Пользуясь упрощенной формулой, определяют желаемый коэффициент трансформации Кх
Рис. 6.15. Принципиальная схема переключателя РНТ.
- — подвижные контакты; 2 — токоограничивающее сопротивление (дроссель); 3 — регулировочные ответвления
В электрических сетях для централизованного и местного регулирований применяются силовые трансформаторы, снабженные устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Их преимущество заключается в том, что регулирование осуществляется без отключения трансформатора от сети. Существует большое количество схем с автоматическим и без автоматического управления. Принципиальная схема такого устройства дана на рис. 6.15. Переключения могут осуществляться вручную, дистанционно и автоматически. Переход с одной ступени на другую осуществляется при дистанционном управлении при помощи электропривода без разрыва рабочего тока в цепи обмотки высшего напряжения. Это достигается закорачиванием на короткое время регулируемой секции токоограиичивающим сопротивлением (дросселем). Автоматические регуляторы весьма удобны и допускают до 30 переключений в сутки. Регуляторы отстраиваются таким образом, чтобы они имели так называемую зону нечувствительности, которая должна бьтть больше ступени регулирования на 20—40%. При этом они не должны реагировать на кратковременные изменения напряжения, вызванные удаленными короткими замыканиями, пусками крупных электродвигателей и т. д.
Схему подстанции целесообразно строить так, чтобы на один регулируемый трансформатор по возможности присоединялись потребители с однородными графиками нагрузок и примерно одинаковыми требованиями к качеству напряжения.
