Качество электрической энергии

Совокупность характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены общим понятием качества электроэнергии. Нормальная работа электрооборудования предприятия зависит от качества электроэнергии, в свою очередь потребители оказывают влияние на качество электроэнергии питающих сетей. Качество электроэнергии регламентируется по ГОСТ 13109-97. Для приемников электроэнергии, питаемых от электрических сетей трехфазного тока, приняты следующие показатели качества: отклонение частоты, отклонение напряжения, коэффициент несинусоидальности напряжения, коэффициент несимметрии напряжения, коэффициент неуравновешенности напряжения, глубина и длительность провала напряжения, импульсное напряжение.

Отклонения частоты – разность, усредненная за 10 минут между фактическим значением основной частоты и номинальным ее значением, – не превышают значения ±0,1 Гц.

Нарушение баланса между мощностью, вырабатываемой генератором электростанции или энергосистемы, и мощностью требуемой промышленными предприятиями, приводит к изменению частоты тока электросети.

Изменения частоты даже в небольших пределах влияют на работу электросетей и приемников электроэнергии. Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напряжения в электросетях и к недовыработке продукции. Изменение частоты существенно влияет на работу приборов и аппаратов применяемых в телевидении, вычислительной технике. Кроме этого, пониженная частота в электрической сети влияет и на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы, реакторы со стальным магнитопроводом), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных сердечников.

Для предотвращения общесистемных аварий, вызванных снижением частоты предусматриваются специальные устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР), отключающие часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности, например после включения резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (ЧАПВ) включают отключенных потребителей и нормальная работа системы восстанавливается.

Отклонения напряжения – разность между фактическим значением напряжения и его номинальным значением, отнесенная к номинальному напряжению, – находятся в допустимых пределах (-2,5…+5 % - для осветительной нагрузки).

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.

Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу асинхронных двигателей (АД), являющихся наиболее распространенными приемниками электроэнергии в промышленности. При изменении напряжения изменяется механическая характеристика АД – зависимость его вращающего момента М от скольжения S или частоты вращения. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Электрические печи чувствительны к отклонениям напряжения. Понижение напряжения электродуговых печей, например, на 7 % приводит к удлинению процесса плавки стали в 1,5 раза. Повышение напряжения выше 5 % приводит к перерасходу электроэнергии. Отклонения напряжения отрицательно влияют на работу электросварочных машин: например, для машин точечной сварки при изменении напряжения на 15 % получается 100 % -ный брак продукции.

На промышленном предприятии регулирование напряжения может осуществляться следующими способами:

- изменением добавочного напряжения, последовательным включением регулировочных трансформаторов или изменением коэффициента трансформации трансформаторов;

- изменением продольной и поперечной составляющих напряжения за счет регулирования потоков реактивной мощности в питающих и распределительных линиях электрической сети с помощью устройств компенсации;

- изменением напряжения питающей сети.

Значения коэффициента несинусоидальности напряжения – отношение действующего значения гармонического содержания несинусоидального напряжения к напряжению основной частоты, – находятся в пределах 5 %.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу различного электрооборудования:

1) Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач – учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.

2) В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

3) Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

4) Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

- применение оборудования с улучшенными характеристиками: "ненасыщающиеся" трансформаторы, преобразователи с высокой пульсностью и т.д.

- подключение к мощной системе электроснабжения.

- питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

- снижение сопротивления питающего участка сети.

- применение фильтрокомпенсирующих устройств.

Коэффициент несимметрии напряжения – отношение напряжения обратной последовательности основной частоты, определяемого разложением на симметричные составляющие системы линейных напряжений, к номинальному линейному напряжению, – имеет значения, не превышающие 2 %.

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, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях – при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях.

Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у ЭП перегруженной фазы могут превысить нормально допустимые значения, в то время как отклонения напряжения у ЭП других фаз будут находиться в нормируемых пределах. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, снижается надежность работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

- равномерное распределение нагрузки по фазам;

- применение симметрирующих устройств: сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.

Коэффициент неуравновешенности напряжения – это отношение напряжений нулевой последовательности основной частоты к номинальному фазному напряжению.

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

Причинами провалов напряжения является срабатывание средств защиты и автоматики при отключении грозовых перенапряжений, токов короткого замыкания (КЗ), а также при ложных срабатываниях защит или в результате ошибочных действий оперативного персонала.

Импульс напряжения – резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд. Наиболее чувствительны к импульсным напряжениям электронные и микропроцессорные элементы систем управления и защиты, компьютеры, серверы и компьютерные станции. Основным способом защиты от импульсных напряжений является использование ограничителей перенапряжения на основе металлооксидных соединений.

Подсистема качества электрической энергии (ПКЭ) в электрической сети характеризуется показателями качества электроэнергии.