Способы повышения качества напряжения

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

Повышение качества электроэнергии: методы, способы, причины

Не рассматривая неизбежные переходные процессы, приведенные на рис. 10.7, отметим, что длительное повышение или понижение напряжения питающей сети приводит к сокращению срока службы двигателей и источников питания. Понижение напряжения менее желательно из-за значительного роста тока потребления, нарушения и выхода из строя электроники и вычислительной техники. Отрицательное воздействие оказывает полное пропадание питающего напряжения. Кратковременные всплески и провалы напряжения вызываются переходными процессами в электрической системе, сопровождаясь высокочастотными помехами, приводящими к сбою электронной аппаратуры. Всплеск напряжения может привести к выходу из строя потребителя, если коммутационная и особенно защитная аппаратура не удовлетворяет требованиям по быстродействию и селективности.

Что влияет на качество электроснабжения

Негативное влияние на силовое электрооборудование и измерительные приборы оказывают длительные искажения кривой напряжения, особенно искажения напряжения, имеющие характер «зазубрин», вызванные коммутацией силовых тиристоров и диодов в мощных источниках искажения. Наиболее опасными являются искажения кривой напряжения жения через ноль. Эти искажения могут вызвать дополнительные коммутации диодов маломощных источников питания, ускорение старения конденсаторов, сбой компьютеров и принтеров и другой аппаратуры.

Проблема качества в отечественных электрических сетях очень специфична. Во всех промышленно развитых странах подключение мощных нелинейных нагрузок, искажающих форму кривых тока и напряжения электрической сети, допускается только при соблюдении требований по обеспечению качества электроэнергии и при наличии соответствующих корректирующих устройств. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3…5% от мощности всей нагрузки энергокомпании. Иная картина наблюдается в нашей стране, где такие потребители подключаются достаточно хаотично.

Выдача технических условий на присоединение во многом формальна из-за отсутствия четких методик и массовых сертифицированных приборов, фиксирующих «кто виноват». При этом промышленностью практически не выпускались необходимые фильтрокомпенсирующие, симметрирующие, многофункциональные оптимизирующие устройства и др.

В результате электрические сети России оказались перенасыщенными искажающим оборудованием.

В отдельных регионах сформировались уникальные по своей мощности и степени искаженности кривых тока и напряжения комплексы электрических сетей энергосистем и распределительных сетей потребителей, что существенно обострило проблему электроснабжения потребителей качественной электроэнергией.

Для определения соответствия значений измеряемых показателей качества электроэнергии нормам стандарта, за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения, коэффициента временного перенапряжения, устанавливается минимальный интервал времени измерений, равный 24 ч, соответствующий расчетному периоду. Общая продолжительность измерений ПКЭ должна быть выбрана с учетом обязательного включения характерных для измеряемых ПКЭ рабочих и выходных дней. Рекомендуемая общая продолжительность измерения составляет 7 сут. Сопоставление ПКЭ с нормами стандарта необходимо производить за каждые сутки общей продолжительности измерений отдельно для каждого ПКЭ. Кроме того, измерения ПКЭ следует проводить по требованию энергоснабжающей организации или потребителя, а также до и после подключения нового потребителя.

Методов повышения качества электроэнергии

Существуют три основные группы методов повышения качества электроэнергии:

1. рационализация электроснабжения, заключающаяся, в частности, в повышении мощности сети, в питании нелинейных потребителей повышенным напряжением;
2. улучшение структуры 1УР, например обеспечение номинальной загрузки двигателей, использование многофазных схем выпрямления, включение в состав потребителя корректирующих устройств;
3. использование устройств коррекции качества — регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии или связанных с ними параметров потребляемой мощности.

Экономически наиболее предпочтительной является третья группа, так как изменение структуры сети и потребителей ведет к значительным затратам.

Проектирование же новых сетей потребителей необходимо вести с учетом современных требований к качеству, ориентируясь на разработку регуляторов качества электроэнергии различных типов. Целенаправленное воздействие на изменение одного вида искажений вызывает косвенное воздействие на другие виды искажений. Например, компенсация колебаний напряжениявызывает снижение уровней гармоник и приводит к изменению отклонений напряжения.

Отклонения напряжения являются медленными и вызываются или изменением уровня напряжения в центре питания, или потерями напряжения в элементах сети (рис. 10.8). требования по отклонениям напряжения для последних электроприемников не выполняются изза значительных потерь напряжения в кабельной линии и на шинах питания. суммарные потери напряжения л /ц.п, %, определяют по выражению:

Анализируя эпюру (см. рис. 10.8), можно сделать вывод, что обеспечить требования по отклонениям напряжения можно за счет регулирования напряжения в центре питания (гпп, рп) и путем снижения потерь напряжения в элементах сети.

Регулирование реализуется с помощью изменения коэффициента трансформации питающего трансформатора. для этого трансформаторы оснащаются средствами регулирования напряжения под нагрузкой (рпн) или имеют возможность переключения отпаек регулировочных ответвлений без возбуждения (пбв), т. е. с отключением их от сети на время переключения ответвлений. трансформаторы с рпн позволяют регулировать напряжение в диапазоне от ±10 до ±15 % с дискретностью 1,25…2,50%. трансформаторы с пбв обычно имеют регулировочный диапазон ±5 %.

Снижение потерь напряжения в питающих линиях или кабелях может быть реализовано за счет снижения активного и (или) реактивного сопротивления. Снижение сопротивления достигается путем увеличения сечения проводов или применением устройств продольной компенсации (УПК).

Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему ее реактивное сопротивление уменьшается: Х’л= XL ХC

Из выражения (10.33) следует, что для снижения bU, необходимо уменьшить Хкз или набросы реактивной мощности нагрузки QH, для снижения которых должны применяться быстродействующие источники реактивной мощности, способные обеспечить скорости набросов реактивной мощности, соизмеримые с характером изменения нагрузки. При этом выполняется условие

Подключение ИРМ приводит к снижению амплитуд колебаний результирующей реактивной мощности, но увеличивает их эквивалентную частоту. При недостаточном быстродействии применение ИРМ может привести даже к ухудшению положения.

Для снижения влияния резкопеременной нагрузки на чувствительные электроприемники применяют способ разделения нагрузок, при котором наиболее часто применяют сдвоенные реакторы, трансформаторы трехобмоточные, с расщепленной обмоткой или питают нагрузки от различных трансформаторов. Эффект использования сдвоенного реактора основан на том, что коэффициент взаимоиндукции между обмотками сдвоенного реактора не равен нулю, а падение напряжения, уменьшающееся на 50…60 % за счет магнитной связи обмоток реактора, в каждой секции определяется по формулам:

где Км — коэффициент взаимоиндукции между обмотками секций реактора; XL — индуктивное сопротивление секции обмотки реактора.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой позволяют подключать к одной ветви обмотки низшего напряжения резкопеременную нагрузку (источник искажений), а к другой — стабильную. Связь между изменениями напряжения в обмотках определяется по выражению

Снижение несимметрии напряжении достигается уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

Основным источником несимметрии являются однофазные нагрузки. При соотношении между мощностью короткого замыкания в узле сети SK 3 к мощности однофазной нагрузки больше 50 коэффициент обратной последовательности обычно не превышает 2 %, что соответствует требованиям ГОСТ.

Снизить несимметрию можно, увеличив SK3 на зажимах нагрузки. Это достигается, например, подключением мощных однофазных нагрузок через собственный трансформатор на шины 110 — 220 кВ. 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 снизить с помощью схемных решений, то применяются специальные устройства.

В качестве таких симметрирующих устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис. 10.9, а) или специальные схемы симметрирования (рис. 10.9, б) однофазных нагрузок.

Если несимметрия меняется по вероятностному закону, тодля ее снижения применяются автоматические симметрирующие устройства, в схемах которых конденсаторы и реакторы набираются из нескольких небольших параллельных групп и подключаются в зависимости от изменения тока или напряжения обратной последовательности (недостаток — дополнительные потери в реакторах). Ряд устройств основан на базе применения трансформаторов, например трансформаторов с вращающимся магнитным полем, представляющим собой несимметричную нагрузку, или трансформаторов, позволяющих осуществить пофазное регулирование напряжения.

Как уменьшить несинусоидальность напряжения

Снижение несинусоидального напряжения достигается:

• схемными решениями: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин; рассредоточение нагрузок по различным узлам питания с подключением параллельно им электродвигателей; группировка преобразователей по схеме умножения фаз; подключение нагрузки к системе с большей мощностью SK 3;
• использованием фильтровых устройств: включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров; включение фильтрокомпенсирующих устройств; применение фильтросимметрирующих устройств; применение ИРМ, содержащих фильтрокомпенсирутощие устройства;
• применением специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник: использование «ненасыщающихся» трансформаторов; применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Развитие современной базы силовой электроники и методов высокочастотной модуляции привело к созданию устройств, улучшающих качество электроэнергии — активных фильтров, подразделяемых на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Это привело к получению четырех базовых схем (рис. 10.10).

В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока, используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения, используется емкость. Схема замещения силового резонансного фильтра приведена на рис. 10.11.

Сопротивление фильтра Z на частоте со равно При XL = Хс на частоте со наступает резонанс напряжений, означающий, что сопротивление фильтра для гармонической составляющей напряжения с частотой со равно 0.

При этом гармонические составляющие с частотой со будут поглощаться фильтром и не будут проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых v = 3, 5, 7,… Уровни гармоник с таким порядковым номером обычно убывают с увеличением частоты. Поэтому на практике применяют цепочки из параллельно включенных фильтров, настроенных на 3, 5, 7 и 11ю гармоники. Такие устройства называются узкополосными резонансными фильтрами. Если XL и Хс — сопротивление реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, то, используя выражение (10.38), получаем

Фильтр, который помимо фильтрации гармоники будет генерировать реактивную мощность и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, называется фильтрокомпенсирующим (ФКУ).

Если устройство помимо фильтрации высших гармоник выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется филыросимметрирующим (ФСУ). Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное напряжение сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов*, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Таким образом, устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей (несинусоидальность, несимметрия, отклонения напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (рис. 10.12). Целесообразность их разработки заключается в том, что резкопеременные нагрузки типа ДСП вызывают одновременное искажение напряжения по ряду показателей, что и потребовало комплексного решения проблемы.

К категории таких устройств относятся быстродействукшше статические источники реактивной мощности. По принципу регулирования реактивной мощности их можно подразделить на ИРМ прямой и косвенной компенсации. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

При разработке стратегии повышения качества электроэнергии в электрических сетях и обеспечения условий электромагнитной совместимости следует учитывать, что для исправления положения необходимы значительные материальные ресурсы и достаточно продолжительный период времени. Разработка всего комплекса мероприятий требует технической и экономической оценки последствий пониженного качества, что затруднено в силу следующих обстоятельств:

• воздействие качества электроэнергии на качество и количество выпускаемой продукции, а также на сроки службы электроприемников носит интегральный характер; изменения большинства показателей качества во времени являются стохастическими в силу их за висимости от режимов работы большого числа электроприемников;
• последствия пониженного качества электроэнергии часто проявляются в окончательном продукте, на качественные и количественные характеристики которого воздействуют и другие факторы;
• отсутствие данных отчетного характера, позволяющих установить причинноследственные связи между реальными показателями качества, с одной стороны, и работой электрооборудования и качеством выпускаемой продукции — с другой;
• слабая оснащенность отечественных электрических сетей средствами измерения показателей качества электроэнергии.

Тем не менее для обеспечения требуемых ГОСТ 13109 — 97 показателей необходимо выполнение комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на установление причин и источников нарушений и заключающихся в индивидуальном и централизованном подавлении помех с обеспечением повышенной помехозащищенности чувствительных к искажениям электроприемников.

Источник