Предмет и цели изучения модуля 11

11. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

11.1 Общая характеристика свойств и показателей качества электрической энергии

11.1.1 Отклонения напряжения

11.1.2 Колебания напряжения

11.1.3 Несинусоидальность напряжения

11.1.4 Несимметрия трехфазной системы напряжений

11.1.5 Отклонение частоты

11.1.6 Провал напряжения

11.1.7 Импульсное напряжение

11.1.8 Временное перенапряжение

11.2 Определение допустимой потери напряжения в сети. Выбор ПБВ трансформаторов

Пример 11.1

Лабораторная работа № 11.1

Вопросы для самопроверки к модулю 11

Тест к модулю 11

Предмет и цели изучения модуля 11

Предметом изучения являются показатели качества электрической энергии, влияние их на работу электроприемников, способы повышения качества электрической энергии.

На этапе проектирования сети при нормальных режимах ее работы необходимо рассчитывать показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и выбирать наиболее экономичные средства приведения параметров режимов к допустимым пределам (нормам). В условиях эксплуатации в электрической сети должен осуществляться систематический контроль за ПКЭ и соответственно приниматься меры по приведению параметров к допустимым нормам.

В требованиях к качеству электрической энергии, (ГОСТ 13109 - 97), указываются технически допустимые пределы отклонений значений от номинальных параметров. Первый у нас в стране государственный стандарт на качество электроэнергии был введен в 1967 г. (ГОСТ 13109 - 67). Он был скорректирован в 1979 и в 1987 гг., а в настоящее время действует новый ГОСТ 13109-97.

В результате изучения данного модуля вы будете знать:

-основные показатели качества электрической энергии;

-допустимые по ГОСТ 13109-97 отклонения показателей качества в нормальном и аварийном режимах работы сети;

-способы и средства повышения качества электрической энергии;

-способы регулирования реактивной мощности и повышения cosφ передачи;

-способы регулирования напряжения в электрических сетях.

-определять допустимую потерю напряжения в сети;

-выбирать регулировочные ответвления трансформаторов;

-выбирать конденсаторные установки для регулирования напряжения в сети.

11 КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Качество электрической (КЭ) – это совокупность ее свойств, определяющих воздействие на электрооборудование, приборы и аппараты и оцениваемых показателями качества электроэнергии, при которых электроприемники могут нормально работать.

Перечень показателей качества, их нормативные значения, критерии оценки и методы измерений установлены ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” [13]. В табл. 11.1 приведены установленные ГОСТ 13109-97 основные показатели качества электроэнергии, их нормальные и предельно допустимые значения.

Рассмотрим характеристику основных показателей качества электроэнергии.

11.1 Общая характеристика свойств и показателей качества электрической энергии

11.1.1 Отклонения напряжения

Отклонения напряжения это отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы сети от его номинального значения.

Отклонения напряжения от номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей; изменения мощности компенсирующих устройств; регулирования напряжения генераторами электростанций и на подстанциях энергосистем; изменения схемы и параметров электрических сетей.

,

(11.1)

где U – действительное значение напряжения в рассматриваемой точке сети;

U_ном – номинальное напряжение в данной сети.

Стандартом нормируются отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии. Нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения равны соответственно ±5 и ±10 %.

Таблица 11.1

11.1.2 Колебания напряжения

Колебания напряжения это быстро изменяющиеся откло-нения напряжения длительностью до нескольких секунд.

Колебания напряжения происходят из-за резкого измене-ния нагрузки, например, включения асинхронного электродвигателя двигателя большой мощности, технологических устано-вок с быстропеременным режимом работы, сопровождающими-ся толчками активной и реактивной нагрузки.

Колебания напряжения согласно ГОСТ 13109-97 характе-ризуются двумя показателями:

- размахом изменения напряжения;

- дозой фликера.

Размах изменения напряжения определяется по формуле

,

(11.2)

где U_i, U_i+1 – значения следующих друг за другом уровней напряжений.

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. Фликер (мерцание) – субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

Дозу фликера напряжения в процентах в квадрате вычисляют по выражению

,

(11.3)

где δU_f – действующие значения составляющих разложения в ряд Фурье изменений напряжения с размахом δU_f;

g_f – коэффициент приведения действительных размахов изменения напряжения к эквивалентным;

Т_оср = 10 мин – интервал времени осреднения.

Стандартом устанавливается кратковременная (P_st) и длительная доза фликера (Р_Lt) Кратковременную определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин, длительную – на интервале 2 ч. Дозу фликера (кратковременную и длительную) при колебаниях напряжения любой формы определяют по формулам, приведенным в [13]. Исходными данными для расчета являются уровни фликера, измеряемые с помощью фликерметра – прибора, в котором моделируется кривая чувствительности (амплитудно-частотная характеристика) органа зрения человека. В настоящее время в Российской Федерации началась разработка фликер-метров для контроля колебаний напряжения [16].

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера в точках общего присоединения потребителей электроэнергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равно 1,0, а для длительной – 0,74, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра (прямоугольной) [16].

11.1.3 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения это искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Главной причиной искажений являются электроприемники с нелинейной вольтамперной характеристикой – электродуговые сталеплавильные печи, вентильные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, электронные технические средства (телевизионные приемники, компьютеры), газоразрядные лампы и др. Электронные приемники электроэнергии и газоразрядные лампы создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но из-за большого их количества могут значительно влиять на рассматриваемый показатель.

Из курса математики известно, что несинусоидальную функцию, можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармоническими составляющими или гармониками. Синусоидальная составляющая, с частотой 50 Гц период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной или первой гармоникой. Остальные составляющие с частотами со второй по n-ую называют высшими гармониками. Несинусоидальность характеризуется двумя нормируемыми показателями: коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_U определяется по выражению, %

,

(11.4)

где U_(n) – действующее значение n-ой гармонической составляющей напряжения, В;

n – порядок гармонической составляющей напряжения;

N – порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения стандартом устанавливается N = 40;

U_ном – номинальное напряжение сети, В.

Установленные стандартом значения К_U приведены в таблице 11.2.

Таблица 11.2

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения это отношение n-ой гармонической составляющей напряжения к действующему значению гармонической составляющей основной частоты:

.

(11.5)

Установленные стандартом максимально допустимые значения K_U(n) приведены в таблице 11.3.

Таблица 11.3

Значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения

11.1.4 Несимметрия трехфазной системы напряжений

Несимметричным режимом работы системы электроснабжения называют такой режим, при котором условия работы одной или всех фаз сети оказываются неодинаковыми. Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты. Источником несимметрии в сетях являются также значительное количество сельскохозяйственных потребителей из-за большой доли однофазных нагрузок.

Несимметрия напряжения характеризуется двумя показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности определяется:

,

(11.6)

где U₂₍₁₎ – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты, В;

U_ном – номинальное линейное напряжение, В.

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности определяется:

,

(11.7)

где U₀₍₁₎ – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты, В;

U_номф – номинальное фазное напряжение, В.

Нормируемые значения этих коэффициентов приведены в таблице 11.1.

11.1.5 Отклонение частоты

Отклонение частоты это отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения.

где f – фактическое значение частоты;

f_ном – номинальное значение частоты.

Нормируемые значения отклонений частоты приведены в таблице 11.1.

11.1.6 Провал напряжения

Провал напряжения это внезапное значительное изменение напряжения в точке электрической сети ниже уровня 0,9U_ном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд.

Характеристикой провала напряжения является его длительность, равная

где t_к и t_н – начальный и конечный моменты времени провала напряжения.

Предельно допустимая длительность провала напряжения для сетей до 20 кВ составляет 30 с, в остальных сетях не нормируется и определяется временем действия релейной защиты и автоматики.

11.1.7 Импульсное напряжение

Импульсное напряжение это резкое повышение напряжения длительностью не более 10 миллисекунд.

Максимальное мгновенное значение импульсного напряжения определяется:

о.е.

(11.10)

где δU_имп – значение импульсного напряжения, В.

11.1.8 Временное перенапряжение

Временное перенапряжение это внезапное и значительное повышение напряжения (более 1,1·U_ном).

Временные перенапряжения возникают при коммутациях в электрической сети при внешних воздействиях на электроустановку (атмосферные перенапряжения).

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения

,

(11.11)

где U_{а mах} – максимальное амплитудное значение напряжения за время существования временного перенапряжения, В;

U_ном – номинальное напряжение, В.

Стандарт не нормирует величину кратковременных перенапряжений.

Для сельских электрических сетей из всех рассмотренных свойств электрической энергии наиболее актуальными являются отклонения напряжения и несимметрия трехфазной системы напряжения.

В сельских электрических сетях по сравнению сетями промышленного назначения, трудно обеспечить допустимую потерю напряжения в сети. Это объясняется большой протяженностью линий электропередачи, выполненных проводом относительно небольшого сечения.

Несимметричный режим работы сети 0,38 кВ является объективно существующим из-за наличия однофазных потребителей.

11.2 Определение допустимой потери напряжения в сети. Выбор ПБВ трансформаторов

Уровень напряжения на вводах потребителей зависит от его уровня в центре питания, потерь напряжения в трансформаторах, линиях электропередачи.

На выводах приемников электрической энергии по действующему в настоящее время стандарту [13] допускается отклонение напряжение в нормальном режиме в пределах ±5%.

Отклонения напряжения у потребителя и потери напряжения в сети связаны между собой. Для определения допустимых потерь напряжения в каждом конкретном случае необходимо составить баланс отклонений и потерь напряжения на рассматриваемом участке системы. Уравнение баланса можно записать следующим равенством:

где V_ист – отклонения напряжения в центре питания (на шинах трансформаторной подстанции – V_ш или на шинах генератора – V_г);

∑V_пост – сумма постоянных (нерегулируемых) надбавок напряжения трансформатора;

∑V_пер – сумма переменных (регулируемых) надбавок напряжения трансформатора;

∑ΔV_т, ∑ΔV_лин – суммарные потери напряжения в трансформаторах и линиях;

V_потр – допустимое отклонение напряжения у потребителя.

Из выражения (11.12) можно определить допустимые потери напряжения в линиях.

Допустимые потери напряжения определяют в процессе проектирования распределительных сетей до того, как найдены площади поперечного сечения проводов, но основная аппаратура, в частности силовые трансформаторы, уже выбрана, схема сетей определена, известны режимы нагрузок и изменение напряжения источника. Уравнение (11.13) лучше решать, пользуясь специальными таблицами, которые составляются для каждой конкретной сети, и называются таблицами отклонений и потерь напряжения.

Определим основные требования при составлении этих таблиц.

Допустимые отклонения напряжения – это граница диапазона напряжений, в котором длительная работа приемников происходит еще без явных нарушений и соответствует требованиям [13].

С одной стороны, желательно иметь минимальные отклонения напряжения у приемников, чтобы улучшить их работу. С другой стороны, желательно иметь максимально возможные потери напряжения в распределительных сетях, так как при этом будут минимальными площади сечения их проводов, а следовательно, будут наименьшими затраты на их строительство. Поэтому необходимо полностью использовать возможность получения максимальных допустимых потерь напряжения в электрических сетях, не выходя за пределы допустимых отклонений у приемников электроэнергии.

Для этого у удаленного приемника в режиме максимальных нагрузок отклонения напряжения должны быть в нижнем значении допустимого интервала V_потр = –5%. По этому значению и известным отклонениям и потерям напряжения выбирают положения регулировочных ответвлений трансформаторов (V_пер) таким образом, чтобы потери напряжения в сетях напряжением 10 и 0,38 кВ получились максимальными.

Получившуюся сумму допустимых потерь необходимо разделить между сетями 10 и 0,38 кВ. Деление осуществляется приближенно, примерно пополам, или некоторое предпочтение отдается сетям напряжением 10 кВ, так как в общем случае эти сети в условиях сельского электроснабжения по протяженности преобладают над сетями 0,38 кВ, и поэтому потери напряжения в сетях 10 кВ принимают несколько большими (например, 60 % на сети 10 кВ и 40 % на сети 0,38 кВ).

После этого необходимо просчитать режим минимальных нагрузок. В этом режиме необходимо проверить, чтобы у близко расположенного к источнику питания потребителя отклонения напряжения не вышли за допустимые значения. Для этого потребителя наиболее опасным будет повышение напряжения в режиме минимальных нагрузок, т.к. потери напряжения будут минимальными и отклонения могут превысить V_доп= = + 5%.

Обычно при расчетах допустимых потерь напряжения режим максимальных нагрузок обозначают за 100%, а минимальная нагрузка в сельских сетях принимается в четыре раза меньше, т. е. 25% от максимальной нагрузки.

Таким образом, в предельных режимах (максимальном и минимальном) в контрольных точках сети (у крайних приемников – удаленном и ближайшем) необходимо обеспечить допустимые отклонения напряжения. Тогда все остальные приемники электроэнергии в любых режимах будут иметь отклонения напряжения меньше допустимых.

Рассмотрим конкретные примеры составления таблиц отклонений напряжения, все подсчеты сведены в таблицу 11.4.

Пример 11.1

Для схемы сети, изображенной на рис. 11.1 определить допустимые потери напряжения в сети 10 и 0,38 кВ.

На шинах 10 кВ подстанции 35/10 кВ осуществляется режим встречного регулирования напряжения

Рис. 11.1. Схема сети к примеру 11.1

Решение: Составляем таблицу отклонения напряжения (табл. 11.4). понижающий трансформатор 10/0,4 кВ имеет постоянную надбавку напряжения V_пост = 5%, потери в этом трансформаторе в режиме максимальных нагрузок приближенно принимаются равными –4%. Трансформатор имеет ПБВ, с помощью которого можно регулировать напряжение в пределах ± 5% ступенями по ± 2,5% (всего 5 отпаек). С помощью ПБВ трансформаторов можно осуществлять сезонное регулирование напряжения (переключения производятся 1-2 раза в год). В начале проведем расчет при положении анцапфы трансформатора на выводе 0%. В таблицу записываем известные данные по всем элементам сети.

В режиме максимальных нагрузок в наихудших условиях по условию наибольшего снижения напряжения оказываются удаленные потребители, а в режиме минимальных нагрузок необходимо провести проверку режима напряжения у ближайшего потребителя в режиме минимальных нагрузок (напряжение не должно повышаться более чем на 5%).

Допустимая потеря напряжения необходимо определить отдельно для удаленной и близкорасположенной к источнику питания подстанции. Суммарные допустимые отклонения напряжения в сети 10 и 0,38 кВ составят:

ΔU_доп10 + ΔU_доп0,38 = 5 + 5 – 4 – (–) 5 = 11%; (сложили потери и надбавки напряжения по первому столбцу).

Распределим эти потери ΔU_доп10 = 6%; ΔU_доп0,38 = 5% и занесем полученные данные в таблицу для режима максимальных и минимальных нагрузок, с учетом того, что режим минимальных нагрузок рассматривается для ближайшего к шинам 0,4 кВ потребителя (ΔU_доп10 = 0 и ΔU_доп0,38 = 0 в режиме 25% нагрузки). Тогда в режиме минимальных нагрузок получим (складываем потери и надбавки напряжения по второму столбцу для БТП):

= +5 – 1 = +4.

В табл. 11.4 по столбцам для 100% и 25% нагрузки рассчитываются разные строки (выделены жирно курсивом).

В режиме минимальных нагрузок отклонение напряжения у ближайшего потребителя составляет +4%. Установить ПБВ трансформатора на ближайшей ТП на отпайку +2,5% нельзя, т.к. при этом напряжение у ближайшего потребителя превысит допустимое значение (4 + 2,5 = 6,5%).

Далее проведем аналогичный расчет для удаленной ТП.

Установим предварительно на этой подстанции ПБВ трансформатора в положение +2,5%.

Таблица 11.4

ΔU_доп10 + ΔU_доп0,38 = 5 + 5 +2,5 – 4 – (–) 5 = 13,5%.

Распределим эти потери ΔU_доп10 = 8%; ΔU_доп0,38 = 5,5% и занесем полученные данные в таблицу для режима максимальных и минимальных нагрузок, с учетом того, что режим минимальных нагрузок рассматривается для ближайшего к шинам 0,4 кВ потребителя (ΔU_доп0,38 = 0 в режиме 25% нагрузки). Тогда в режиме минимальных нагрузок получим (складываем потери и надбавки напряжения по второму столбцу для УТП):

V = - 2 + 5 + 2,5 - 1 = +4,5.

В режиме минимальных нагрузок отклонение напряжения у ближайшего потребителя на удаленной подстанции составляет +4,5%. Установить ПБВ трансформатора на отпайку +5% нельзя, т.к. при этом напряжение у ближайшего потребителя превысит допустимое значение (4,5 + 2,5 = 7%).

Лабораторная работа № 11.1

Цель работы: Изучить технические средства повышения качества электроэнергии.

Для повышения качества электрической энергии в электрических сетях применяют специальные средства, позволяющие поддерживать рассмотренные выше показатели качества в допустимых пределах.

Способы регулирования напряжения в электрических сетях подробно рассмотрены в разделе 3. На рис. 11.1 приведены возможные схемы подключения устройств регулирования напряжения в сети.

На рис. 11.2 показаны два возможных варианта схем понижающих подстанций, на шинах которых производят регулирование напряжения.

Рис. 11.2. Регулирование напряжения на шинах: а – с помощью регулировочного трансформатора; б – с помощью линейного регулятора (ЛР), включенного последовательно с нерегулируемым трансформатором

Такой способ регулирования применяют при отходящих от шин линиях, имеющих подобные графики нагрузок. На практике такие случаи встречаются редко. Однако ПУЭ и руководящие указания по регулированию напряжения требуют осуществления встречного регулирования напряжения на всех сооружаемых понизительных подстанциях. Поэтому при наличии разнородных по характеру графиков нагрузок линии группируют по возможности так, чтобы к отдельным секциям шин были присоединены линии со сходными графиками нагрузок.

Регулирование напряжения на отходящих линиях. Регулирование напряжения на каждой отходящей от шин подстанции линии является более совершенным и эффективным способом по сравнению с регулированием на шинах. В этом случае используют трансформаторы с РПН, линейные регуляторы напряжения и конденсаторы для поперечной компенсации (см. раздел 3). Этот способ регулирования получается дорогим при достаточно развитых системах электроснабжения из-за необходимости установки большого количества регулирующих устройств; если возможно, применяют регулирование напряжения для группы линий. На рис. 11.3 приведены структурные схемы регулирования напряжения на отходящих линиях. Для осуществления совместного регулирования напряжения используют средства, перечисленные выше. Совместное регулирование применяют, когда невозможно создать требуемый режим напряжения в системе электроснабжения с помощью только одного способа. Принцип построения схем с использованием совместного регулирования показан на рис. 11.4.

Рис. 11.3. Регулирование напряжения на отходящих линиях: а — на каждой линии; б – на группе линий

Рис. 11.4. Совместное регулирование напряжения на шинах и отходящих линиях

Дополнительное регулирование применяют, когда с помощью указанных способов не удается обеспечить требуемое качество напряжения у некоторой части потребителей электроэнергии. Для этого используют ЛР и конденсаторы (поперечной и продольной компенсации). Структурная схема расположения регулирующих устройств для случая применения дополнительного регулирования показана на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Возможные пункты расположения регулирующих устройств в электрической сети: 1 – отдельный приемник, особо чувствительный к изменениям напряжения

Наличие высших гармоник в напряжении и токах электрических сетей отрицательно сказывается на работе электрооборудования и приводит к возникновению народнохозяйственного убытка. Появление убытка от высших гармоник обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время известно несколько способов уменьшения несинусоидальности формы кривой напряжения.

Одним из основных источников высших гармоник являются вентильные преобразователи, которые находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и другие технологические установки. Суммарная номинальная мощность вентильных преобразователей на предприятиях достигает 300 МВт.

стоящее время известно большое количество схем выпрямления трехфазного тока. Однако для установок большой и средней мощности наибольшее распространение получили трехфазная мостовая схема Ларионова и шестифазная нулевая схема с уравнительным реактором.

С увеличением числа фаз выпрямления форма первичного тока преобразователя приближается к синусоидальной, а количество гармоник в токе выпрямителя и, следовательно, в напряжении сети, уменьшается. Так, например, при 6-фазной схеме выпрямления в токе вентильного агрегата содержатся 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 и 25-я гармоники, а при 12-фазной схеме – 11, 13, 23 и 25-я. При этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается примерно в 1,4 раза. Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения уровней высших гармоник. Однако трансформаторы для большого числа фаз выпрямления получаются сложными, дорогими и ненадежными. Поэтому для мощных преобразователей применяют, как правило, не более чем 12-фазный режим выпрямления.

б) Применение фильтра высших гармоник.

На рис. 11.6 показана схема поперечного фильтра высших гармоник. Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники. Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник

где X_l, X_c – сопротивления соответственно реактора и батареи конденсаторов току промышленной частоты;

n –номер гармоники.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается пропорционально, а батареи конденсаторов – уменьшается обратно пропорционально номеру гармоники. На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений.

Рис. 11.6. Принципиальная схема фильтра высших гармоник UD – выпрямитель; ZA5, ZA7 – фильтры 5-ой и 7-ой гармоник

Идеальный фильтр полностью отфильтровывает токи гармоник, на частоты которых настроены его звенья. Однако практически наличие активных сопротивлений реакторов и батарей конденсаторов и неточная настройка звеньев фильтра приводят к неполной фильтрации гармоник. Параллельный фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых настроено на резонанс для частоты определенной гармоники. Количество звеньев в фильтре может быть любым. На практике обычно применяют фильтры, состоящие из двух или четырех звеньев, настроенных на частоты 5, 7, 11, 13, 23 и 25-й гармоник. Поперечные фильтры присоединяют как в местах возникновения высших гармоник, так и в пунктах их усиления. Поперечный фильтр является одновременно и источником реактивной мощности и служит средством компенсации реактивных нагрузок. Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов.

Для сельских потребителей задача снижения несимметрии токов и напряжений является весьма актуальной. Рассмотрим причины возникновения несимметрии. Различают кратковременные и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы. Кратковременная несимметрия обычно связана с аварийными процессами в электрических сетях, такими, как КЗ, обрывы проводов с замыканием на землю, отключение фазы при однофазном АПВ и т. д. Длительная несимметрия возникает при наличии несимметрии в том или ином элементе электрической сети или при подключении к системе электроснабжения несимметричных приемников электроэнергии. К числу таких приемников относятся осветительные приборы, однофазные установки электросварки, индукционные и дуговые сталеплавильные печи, установки электрошлакового переплава, электровозы переменного тока и др., мощность которых достигает 5000 кВ·А и более.

Наличие несимметрии нагрузок фаз вызывает появление токов обратной и нулевой последовательностей. Эти токи, протекая по элементам сети, вызывают в них падения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей, которые, складываясь с напряжением прямой последовательности промышленной частоты, приводят к возникновению несимметрии напряжений сети. Несимметрия междуфазных напряжений определяется только наличием напряжения обратной последовательности; несимметрия фазных напряжений – напряжениями нулевой и обратной последовательностей. Следует отметить, что токи нулевой последовательности существуют, как правило, только в сетях напряжением выше 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, и распределительных сетях напряжением до 1 кВ. В широко распространенных трехфазных сетях без нулевого провода эти токи отсутствуют.

Влияние несимметрии токов и напряжений на работу электрооборудования. В общем случае несимметрия нагрузок искажает систему фазных и линейных напряжений. Поэтому несимметрия влияет как на трехфазные симметричные, так и на однофазные приемники электроэнергии. При наличии несимметричных нагрузок большой мощности в статорах синхронных генераторов протекают токи прямой, обратной и нулевой последовательностей. Токи обратной последовательности создают магнитное поле, вращающееся с двойной синхронной скоростью в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и приводят к созданию в статоре нечетного, а в обмотке возбуждения – четного спектра токов гармоник прямой и обратной последовательностей. Эти токи обусловливают дополнительный значительный нагрев статора и ротора синхронной машины.

B асинхронных двигателях несимметрия напряжения обусловливает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент, уменьшающий полезный момент двигателя. Уменьшение полезного момента за счет противодействующего по отношению к моменту при симметричной нагрузке равно в первом приближении квадрату коэффициента несимметрии напряжений. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронного двигателя в 5-7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и обусловливает дополнительный нагрев ротора и статора, в результате чего быстро стареет изоляция и уменьшается допустимая нагрузка машины. Так, например, при несимметрии напряжений в 4% срок службы полностью нагруженного двигателя сокращается в 2 раза.

Несимметрия токов в линиях электропередачи и трансформаторах приводит к тому, что одна фаза работает с перегрузкой, тогда как другие фазы недогружены. В результате этого в линиях электропередачи значительно уменьшается пропускная способность, и увеличиваются потери энергии. В силовых трансформаторах фазные обмотки, находящиеся в общем баке, охлаждаются маслом. Поэтому при несимметричной нагрузке температура масла оказывается ниже, чем при симметричной нагрузке, равной нагрузке наиболее загруженной фазы в несимметричном режиме. Это позволяет при несимметрии увеличить нагрузку на все три фазы. Что касается несимметрии напряжений, то она не оказывает существенного влияния на работу трансформаторов и линий электропередачи.

Несимметрия напряжений значительно ухудшает режим работы многофазных выпрямителей: снижается допустимая мощность вентильных агрегатов, в выпрямленном токе появляются гармоники, амплитуды которых пропорциональны коэффициенту несимметрии напряжений. Эти гармоники, резонируя в не рассчитанных на их появление сглаживающих фильтрах, перегружают конденсаторы и выводят их из строя.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются по фазам. Располагаемая мощность батареи при этом становится меньше номинальной.

Однофазными приемниками электроэнергии несимметрия напряжений воспринимается как увеличение или уменьшение приложенного к ним напряжения. При этом может наблюдаться ухудшение такого важного показателя электроэнергии, как отклонение напряжения.

Несимметрия напряжений отрицательно влияет также на работу мощных инверторов, релейной защиты, ведет к ошибкам при подсчетах электроэнергии.

Область допустимых несимметричных режимов может быть оценена по максимально допустимой однофазной нагрузке, при которой показатели несимметрии не выходят за пределы нормы в нормальном режиме. При преобладающей не двигательной нагрузке максимально допустимая однофазная нагрузка составляет 10% от номинальной мощности питающего трансформатора. При преобладании электродвигательной нагрузки максимально допустимая однофазная нагрузка составляет 20% от номинальной мощности питающего трансформатора [31].

Рассмотрим способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений [27,28].

1. Перераспределение нагрузок по фазам сети обслуживающим персоналом. По результатам замеров токов в фазах магистральных участков линий в периоды максимумов нагрузки периодически обслуживающий персонал производит переключения однофазных нагрузок. Недостаток метода: замеры должны проводиться систематически, т.к. перераспределение нагрузок по результатам однократных измерений может не уменьшить систематическую несимметрию, а наоборот увеличить ее. Этот недостаток можно исключить, если применить автоматическое переключение однофазной нагрузки к наименее загруженной фазе.

2. Одним из самых простых способов является снижение сопротивления нулевой последовательности трансформатора (ZT₀), что может быть достигнуто заменой трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y₀, которые повсеместно используются в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, на трансформаторы со схемой соединения обмоток – Y/Z₀. Сопротивление нулевой последовательности трансформаторов со схемой Y/Z₀ в 9-11 раз меньше, чем у трансформаторов Y/Y₀. Однако такая замена экономически целесообразна только для реконструируемых и вновь сооружаемых сетях. Однако и этот способ не лишен недостатков. Расход цветного металла для трансформаторов со схемой Y/Z₀ на 15 % выше. Кроме того, уменьшение результирующего сопротивления нулевой последовательности сети за счет снижения ZT₀ не всегда дает ощутимый эффект, т.к. сопротивление нулевой последовательности линии достаточно велико. Поэтому уровень несимметрии фазных напряжений после замены трансформаторов остается высоким, особенно в конце линии.

3. Из технических средств уменьшения несимметрии напряжения рассмотрим использование симметрирующих устройств. Теоретически при любой несимметричной нагрузке можно создать симметрирующие устройства на базе емкостных и индуктивных элементов, которые полностью компенсируют напряжения обратной и нулевой последовательности на нагрузке.

Снизить сопротивление нулевой последовательности сети можно например, с помощью специальных устройств, имеющих минимальное сопротивление нулевой последовательности [27]. Такие устройства называются шунто-симметрирующими устройствами (ШСУ). Их устанавливают в конце или начале линии и подключают параллельно нагрузке. В этом случае токи нулевой последовательности замыкаются на контуре "нагрузка - ШСУ" и не протекают в линии и трансформаторе. Напряжение нулевой последовательности на нагрузке будет минимальным и определится только сопротивлением нулевой последовательности ШСУ. Устройства с минимальным сопротивлением нулевой последовательности могут быть выполнены как с электромагнитными связями (трансформаторного типа), так и с электрическими связями (на индуктивно-емкостных элементах).

На рис. 11.7,а представлено ШСУ электромагнитного типа, выполненное на трехстержневом магнитопроводе со схемой соединения обмоток "встречный зигзаг". Следует отметить, что ШСУ электромагнитного типа, являясь индуктивной нагрузкой, увеличивают реактивную составляющую тока прямой последовательности, что приводит к снижению коэффициента мощности сети.

ШСУ на индуктивно-емкостных элементах имеют более простую конструкцию. Схема такого устройства с тремя емкостными и одним индуктивным элементом, которые соединены по схеме четырехлучевой звезды, приведена на рис. 11.7,б. Емкостные элементы этого ШСУ подключаются к фазам сети, а индуктивный – к нейтральному проводу. Такое устройство, помимо эффекта симметрирования осуществляет компенсацию реактивной мощности токов прямой последовательности. Можно построить и ШСУ с тремя индуктивными и одним емкостным элементом, подключив к фазам сети индуктивные элементы, а к нейтральному проводу – емкостный (рис. 11.7,в).

Рис. 11.7. Схемы шунто-симметрирующих устройств а – электромагнитного; б – конденсаторного; в – индуктивного

Таким образом, подключение таких устройств в значительной степени улучшает качество напряжения у потребителей и повышает симметрию токов в линии и трансформаторе. Достоинством ШСУ является также то, что его параметры не зависят от нагрузки, и, следовательно, они могут изготавливаться нерегулируемыми.

1. Изучить возможные схемы включения в сеть регулирующих напряжение устройств.

2. Изучить способы и средства уменьшения высших гармоник. Нарисовать структурную схему фильтра.

3. Изучить способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений.

4. Разобрать принцип работы шунто-симметрирующих устройств для сетей 0,38 кВ.

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.
2. Возможные схемы подключения регулирующих напряжение устройств в сети.
3. Схему фильтра высших гармоник.
4. Схемы шунто-симметрирующих устройств.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные показатели качества электрической энергии согласно ГОСТ 13109-97.

2. Как влияет качество электроэнергии на работу электроприемников?

3. Каковы причины значительных отклонений напряжения у сельскохозяйственных потребителей?

4. Каковы причины несимметрии напряжения у сельскохозяйственных потребителей?

5. Назовите основные причины несинусоидальности напряжения.

6. Какие существуют способы регулирования напряжения, какие из них наиболее приемлемы для сельских электрических сетей?

7. Назовите способы уменьшения несинусоидальности напряжения в сетях.

8. Возможные способы уменьшения несимметрии в сельских электрических сетях. Их достоинства и недостатки.

Вопросы для самопроверки к модулю 11

1. Назовите основные показатели качества электроэнергии.
2. причины возникновения отклонения напряжения.
3. Причины возникновения отклонения и колебания частоты.
4. допустимые нормы по отклонению напряжения и частоты.
5. Что такое коэффициент несимметрии?
6. что такое коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения?
7. Что такое доза фликера?
8. Влияние нессиметрии напряжения на работу электроприемников.