Мероприятия и технические средства повышения качества электрической энергии

Для поддержания отклонений и колебаний напряжения в пределах значений, соответствующих нормам, необходимо регулирование напряжения .

Регулированием напряжения называют процесс изменения уровней напряжения в характерных точках системы электроснабжения с помощью специальных технических средств, который осуществляется автоматически по заранее заданному закону. Закон регулирования напряжения в центрах питания (ЦП) определяет энергоснабжающая организация, по возможности учитывая интересы большинства потребителей, присоединенных к данному ЦП.

Для обеспечения требуемого режима напряжений на зажимах приемников электроэнергии используют следующие способы регулирования напряжения: на шинах электростанций и подстанций (ЦП), на отходящих линиях, совместное и дополнительное.

При регулировании напряжения на шинах ЦП обеспечивают так называемое встречное регулирование напряжения. Под встречным регулированием напряжения понимают повышение напряжения до 5 — 8 % номинального в режиме наибольших нагрузок и понижение напряжения до номинального (или ниже) в режиме наименьших нагрузок при линейном изменении в зависимости от нагрузки.

Регулирование производят с помощью изменения коэффициента трансформации питающего трансформатора . Для этого трансформаторы оснащают средствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) . Трансформаторы с РПН позволяют регулировать напряжение в диапазоне от ±10 до ±16 % с дискретностью 1,25 — 2,5 %. Силовые трансформаторы 6 — 20/0,4 кВ оснащают устройствами регулирования ПБВ (переключение без возбуждения) с диапазоном ±5 % и шагом регулирования ±2,5 % (табл. 1).

Таблица 1. Добавки напряжения трансформаторов 6 — 20/0,4 кВ с ПБВ

Правильный выбор коэффициента трансформации трансформатора с ПБВ (например, при сезонном регулировании) обеспечивает по возможности наилучший режим напряжений при изменении нагрузки.

Целесообразность применения того или иного способа регулирования напряжения определяется местными условиями в зависимости от протяженности сети и ее схемы, резерва реактивной мощности и т.п.

Показатель отклонения напряжения зависит от потерь напряжения в сети зависит от сопротивления сети и нагрузки. Практически изменение сопротивлений сети связывают с изменением напряжений в ней при выборе сечений проводов и жил кабелей с учетом отклонений напряжения у приемников электроэнергии (по допустимой потере напряжения), а также при применении последовательного включения конденсаторов в воздушных линиях (установки продольной компенсации — УПК) .

Последовательно включенные конденсаторы компенсируют часть индуктивного сопротивления линии, тем самым уменьшается реактивная слагающая в линии и создается как бы некоторая добавка напряжения в сети, зависящая от нагрузки.

Последовательное включение конденсаторов целесообразно лишь при значительной реактивной мощности нагрузки (tg φ > 0,75-1,0). Если коэффициент реактивной мощности близок к нулю, потери напряжения в линии определяются в основном активным сопротивлением и активной мощностью. В этих случаях компенсация индуктивного сопротивления нецелесообразна.

Применение УПК очень эффективно при резких колебаниях нагрузки, так как регулирующий эффект конденсаторов (значение добавки напряжения) пропорционален току нагрузки и автоматически изменяется практически без инерции. Поэтому последовательное включение конденсаторов следует применять в воздушных линиях напряжением 35 кВ и ниже, питающих резкопеременные нагрузки с относительно низким коэффициентом мощности. Их используют также в промышленных сетях с резкопеременными нагрузками.

К уменьшению потерь напряжения, а следовательно, к увеличению напряжения в конце линии помимо выше рассмотренных мер по уменьшению сопротивления сети приводят меры по изменению нагрузок сети, особенно реактивных. Это возможно осуществить, применяя установки поперечной компенсации (включение батарей конденсаторов параллельно нагрузке) и быстродействующие источники реактивной мощности (ИРМ), отрабатывающие реальный график изменения реактивной мощности.

Для улучшения режима напряжения сети, снижения отклонений и колебаний напряжения возможно использование мощных синхронных двигателей с автоматическим регулированием возбуждения.

Для улучшения таких показателей качества электроэнергии целесообразно подключение искажающих КЭ электроприемников в точках системы с наибольшими значениями мощности КЗ. А применение средств ограничения токов КЗ в сетях, содержащих специфические нагрузки, следует производить только в пределах, необходимых для обеспечения надежной работы коммутационных аппаратов и электрооборудования.

Основные способы уменьшения влияния несинусоидальности напряжения. Среди технических средств применяют: фильтровые устройства: включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), фильтросимметрирующих устройств (ФСУ), ИРМ, содержащих ФКУ, специальное оборудование, характеризующееся пониженным уровнем генерации высших гармоник, «ненасыщающиеся» трансформаторы, многофазные преобразователи с улучшенными энергетическими показателями.

На рис. 1, а показана схема поперечного (параллельного) пассивного фильтра высших гармоник. Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники.

Рис. 1. Принципиальные схемы фильтров высших гармоник: а — пассивного, б — активного фильтра (АФ) как источника напряжения, в — АФ как источника тока, ВП — вентильный преобразователь, Ф5, Ф7 — соответственно звенья фильтра на 5-ю и 7-ю гармоники, u с — напряжение сети, u АФ — напряжение АФ, u н — напряжение на нагрузке, I с — ток сети, I Аф — ток, генерируемый АФ, I н — ток нагрузки

Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник Хфп=Х Ln -Х c / n , где XL, Хс — сопротивления соответственно реактора и батареи конденсаторов току промышленной частоты, n — номер гармонической составляющей.

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. При этом сопротивление звена фильтра n току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте. Номер гармоники яр резонансной частоты вычисляют по формуле

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 средством компенсации реактивных нагрузок.

Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов. Такое устройство называют фильтрокомпенсирующим (ФКУ) . Фильтрокомпенсирующие устройства выполняют и функцию фильтрации гармоник, и функцию компенсации реактивной мощности.

В настоящее время помимо пассивных узкополосных фильтров применяют и активные фильтры (АФ) . Активный фильтр — преобразователь переменно-постоянного тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока, формирующий методом импульсной модуляции определенное значение напряжения или тока. В его составе интегрированные силовые ключи, соединенные по типовым схемам. Подключение АФ в сеть в качестве источника напряжения показано на рис. 1, б, в качестве источника тока — на рис. 1, в.

Снижение систематической несимметрии в сетях низкого напряжения осуществляется рациональным распределением однофазных нагрузок между фазами с таким расчетом, чтобы сопротивления этих нагрузок были примерно равны между собой. Если несимметрию напряжения не удается уменьшить с помощью схемных решений, то применяют специальные устройства: несимметричное включение конденсаторных батарей (рис. 2) или схемы симметрирования (рис. 3) однофазных нагрузок.

Рис. 2. Симметрирующее устройство с конденсаторной батареей

Рис. 3. Специальная схема симметрирующего устройства

Если несимметрия меняется по вероятностному закону, то для ее снижения применяют автоматические симметрирующие устройства, схема одного из которых представлена на рис. 4. Регулируемые симметричные устройства дороги и сложны, их применение порождает новые проблемы (в частности, несинусоидальность напряжения). Поэтому положительного опыта использования симметрирующих устройств в России нет.

Рис. 4. Типовая схема симметрирующего устройства

Для защиты от перенапряжений применяются ограничители перенапряжений . От кратковременного снижения и провалов напряжений могут использоваться динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН) , которые решают многие проблемы качества электроэнергии, включая провалы (в том числе и импульсные) и перенапряжения питающего напряжения.

Основные преимущества ДКИН:

нет батарей и всех проблем, связанных с ними,

время реакции на кратковременные нарушения электроснабжения 2 мс,

эффективность работы устройства ДКИН более 99 % при 50 %-ной нагрузке и более 98,8 % при 100 %-ной нагрузке,

низкая потребляемая мощность и малые эксплуатационные затраты,

компенсация гармонических составляющих, фликеров,

синусоидальная форма выходного напряжения,

защита от всех видов КЗ,

Снижение уровня негативного влияния на сеть от приемников электроэнергии специфических нагрузок (ударных, с нелинейными вольт-амперными характеристиками, несимметричных) достигается нормированием их и разделением питания специфических и «спокойных» нагрузок.

Помимо выделения отдельного ввода для специфических нагрузок возможны и другие решения рационального построения схем электроснабжения:

четырехсекционная схема главной понижающей подстанции на напряжении 6—10 кВ с трансформаторами с расщепленными вторичными обмотками и со сдвоенными реакторами для раздельного питания «спокойной» и специфической нагрузки,

перевод трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП) на параллельную работу включением секционного выключателя напряжением 6—10 кВ, когда это допустимо по токам КЗ. Это мероприятие можно применять и временно, например в периоды пуска крупных двигателей,

осуществление в цеховых сетях питания осветительной нагрузки отдельно от силовой резкопеременной (например, от сварочных агрегатов).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Качество электрической энергии и способы его повышения

Электроэнергия является товаром передаваемым и потребляемым практически мгновенно. Поэтому к качеству электроэнергии (КЭ) предъявляются повышенные требования, знание истинных параметров КЭ критически важны. Показатели качества электроэнергии представляют собой совокупность напряжения, частоты, форму синусоиды электротока, составляет совместимость этих параметров, характеризующих электромагнитную среду.

Рис №1 Таблица параметров качества электрической энергии

Большинство явлений, влияющих на качество электрической сети, происходит из-за особенностей совместимости электроприемников и электросети.

Требования к качеству электрической энергии состоят в нормировании показаний величины напряжения.

Параметры величин закреплены в Государственном стандарте качества электрической энергии. Существующие до недавнего времени нормы в ГОСТ 13109 за 1997 год изменены на ГОСТ 32144-2013, определены следующие требования: отклонения в показаниях напряжения для передачи электрической энергии в узлах не должны быть выше 10% от предельной величины напряжения за участок времени в течении 1 недели.

Ущерб при уменьшении качества электрической энергии

Виды ущерба при ухудшении КЭ делится на электромагнитный и технологический.

Электромагнитный ущерб:

1. Неэффективность генерирующих процессов, большие потери при передаче и использовании энергии.
2. Снижения времени эксплуатации оборудования, преждевременный его выход из строя, из-за нарушения режимов работы и износа изоляции.
3. Преждевременный износ и выход из строя средств РЗАиГ.

Технологический ущерб:

1. Понижение производительности технологических процессов.
2. Прекращение выполнения производственных работ, влекущее значительные затраты на восстановление.
3. Выход из строя оборудования.
4. Брак получаемой продукции.

Примеры порчи электрооборудования при несоответствии параметров качества электроэнергии:

1. Понижение напряжения на 10% время эксплуатации асинхронного двигателя уменьшается в 2 раза.
2. Несимметрия напряжения в 2% срок эксплуатации АД снижается на 10% СТД – на 16,2%, силовых трансформаторов на 4%.
3. Несинусоидальное напряжение влечет увеличение токов утечки в кабельной изоляции на 43%.

Снижение сроков службы оборудования влияет на надежность электроснабжающей системы.

Кто отвечает за качество электрической энергии?

Проблема КЭ очень серьезна, что стала синонимом «электромагнитной безопасности», потому как отвечает за безотказную работу технических средств и выполнение технических процессов, отвечающих за безопасность на транспорте в энергетике, и в других областях хозяйствования, нарушение которых может привести к человеческим жертвам, существенному экономическому ущербу, нанесение вреда окружающей среде.

Источником электромагнитных помех может оказаться сам потребитель, использующий электрическое оборудование с нелинейными характеристиками. Такие устройства используют токи высших гармоник, токи обратной и нулевой последовательности, вызывающие нарушения синусоидальности и симметричности падений. Даже в том случае если сетевая организация может обеспечить абсолютное соблюдение синусоидальности и симметричности напряжения питания, значение напряжение в узле общего присоединения пользователя будет искаженно.

Городские сети являются самыми «грязными» источниками искажений электрической сети и включают:

1. Статические преобразователи (выпрямители, тиристорные регуляторы напряжения, стабилизаторы и т. д.).
2. Импульсные источники питания (компьютеры, офисная техника, серверные станции рекламная светодиодная, плазменная, и ЖК-аппаратура).
3. Газоразрядные осветительные устройства (90% от всех светильников).
4. Сварочные аппараты (ЖКХ, строительство и т. д.).
5. Частотный электропривод переменного тока (ЖКХ, большие офисные центры).
6. Специальное медицинское оборудование.

Важно : Установка интеллектуальных ИБП, особенность ИБП заключается в том, что они могут устранить несколько сетевых помех, это: исчезновение, провалы, всплески, а также высокий и низкий уровень напряжения, переходные процессы, ЭМ- и РЧ-помехи, искажение частоты и синусоидальности, но такое действие, возможно, только при наличии корректора коэффициента мощности и активными фильтрами (кондиционерами) высших гармоник. ИБП являются источниками искажения электрической энергии, которые влияют на соседние потребители, не имеющие в своем составе ИБП.

Электросетевая компания является виновником нарушения качества электрической энергии и ее показателей, в случае приобретения и поставки линейным потребителям, некачественной электроэнергии.

Контроль за качеством электрической энергии в РФ осуществляет РЭС (районные электросети) Они следят за ПКЭ на границах балансовой принадлежности как у потребителей, так и у источников электрической энергии.

Способы повышения качества электрической энергии

Для управления качеством электрической энергии необходимо внедрять в структуру систем энергоснабжения:

1. УКРМ (устройств компенсации реактивной мощности), для гарантированной высокопропускной способности электрической сети в обычном и послеаварийном режиме.
2. Внедрение в работу силовых трансформаторов с наличием РПН (регулировка под нагрузкой), устройство способно регулировать уровень напряжения в сети при его падении при увеличении нагрузки, или при высоком уровне напряжения, без вывода трансформатора в ремонт.
3. Применение в сети синхронных компенсаторов, рекомендуется их установка на силовых подстанциях в зависимости от баланса реактивной мощности в рассматриваемом узле.
4. При напряжении до 1000 В и значениях мощности около 100кВт наиболее выгодно использовать асинхронные двигатели, более 300 кВт – рекомендуется применять синхронные машины, при величине напряжении 6 — 10 кВ– асинхронные машины, свыше 400 кВт – синхронные. Так как синхронные двигатели являются источниками реактивной энергии, целесообразно подключение конденсаторных батарей.
5. Конденсаторных батарей (БСК) совместно с фильтрокомпенсирующими устройствами.
6. Использование в сети линейных регуляторов или последовательных трансформаторов для регулировки напряжения в отдельных линиях и вторичных обмотках автотрансформаторов.
7. Применение автотрансформаторов связи сетей различных номинальных напряжений с РПН, расположенным на линейном конце обмотки среднего напряжения, им можно регулировать под нагрузкой коэффициент трансформации.
8. Для обеспечения КЭ регуляторы РПН должны работать автоматически, характеризуются устойчивостью работы, зоной нечувствительности, точностью регулирования и выдержкой времени.

Компенсирующие устройства помогают решить такие задачи как:

1. Оптимизация перетоков индуктивной (реактивной) мощности в высоковольтных сетях.
2. Сведение к минимуму наличия потерь мощности и энергии.
3. Поддержание статической и динамической устойчивости в узлах повышенной нагрузки.

Контроль качества электрической энергии

Для учета ПКЭ на промышленных предприятиях применяется система АИИС-ПКЭ, которая позволяет привести качество электроэнергии у жестким нормам по ГОСТу, что способствует сокращению срока окупаемости системы до 1-1,5 лет.

АИИС-ПКЭ может быть встроена в систему АИИС КУЭ или создает принципиально новую систему АСУТП

Рис №2 Архитектура построения систем АСУТП в энергетике

Система производит учет электроэнергии и оперативное управление, осуществляет операции по контролю качества электроэнергии, выполняет функции релейной защиты и автоматики, производит осциллографирование аварийных и переходных процессов.

Источник