Составление энергетического паспорта предприятия

Лабораторная работа № 1
Тема: Измерение показателей качества электроэнергии

Качество электроэнергии – степень соответствия ее параметров установленным нормам.

Качество электрической энергии характеризуют показатели качества:

· установившееся отклонение напряжения;

· колебания напряжения (размах колебаний и доза фликера);

· несинусоидальность напряжения (коэффициент искажения синусоидальности и коэффициенты гармоник);

· несимметрия напряжения (коэффициенты обратной и нулевой последовательностей);

· провал напряжения (длительность и глубина провала);

· временные перенапряжения (коэффициент перенапряжения);

· установившееся отклонение частоты.

Измерение показателей качества – анализаторами качества электроэнергии.

Назначение анализаторов – измерение параметров трехфазной трехпроводной или четырехпроводной, симметричной и несимметричной электрической сети, с одновременным отображением, сохранением, ведением архива текущих значений, их обработкой и цифровой передачей.

Пример. Стационарный анализатор качества электроэнергии G4400

Назначение: измерение параметров электрических сетей в стационарных и переходных процессах:

– при контроле состояния электроустановок,

– при обследовании режимов работы электрических сетей энергосистем и промышленных предприятий,

– при пуске и наладке различных электрических силовых агрегатов и устройств автоматики.

Измеряемые величины:

· фазные и линейные напряжения;

· фазные токи;

· cos φ по фазам;

· спектр гармоник (до 512);

· активная, реактивная и полная мощности по фазам и по сумме фаз;

· частота;

· время отключения фазы, выхода/возврата за границы допусков напряжений и частоты;

· фликер.

Погрешность из измерений не превышает 0.1%.

Общие сведения

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

1. Регулирование напряжения

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

2. Способы и средства уменьшения уровней высших гармоник.

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.

а) Увеличение числа фаз выпрямления.

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

Хф,n = Хl · n – Хс/n,

(11.14)

 

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.

3. Способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений

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 ШСУс 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.

  Указания к выполнению работы

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.

 Оформление отчета

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.