17. Свойства электрической энергии. Понятие о качестве электрической энергии. Понятие об электромагнитной совместимости электроприемников с электрической сетью.

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека и как товар обладает рядом потребительских свойств. Такими свойствами электрической энергии как товара, являются:

1) отклонение напряжения от номинального значения;

2) колебания напряжения;

3) несинусоидальность напряжения;

4) несимметрия трехфазной системы напряжений;

5) отклонение частоты;

6) провал напряжения;

7) импульс напряжения;

8) временное перенапряжение.

Как следует из перечисленного, все свойства электрической энергии относятся к напряжению.

Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах напряжения. Поэтому для его нормальной работы должны быть обеспечены определенные свойства электрической энергии. Нормирование свойств электрической энергии как товара производится с помощью показателей качества электрической энергии. При этом качество электрической энергии (КЭЭ) определяется совокупностью нормативных требований к ее свойствам, при выполнении которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Понятие КЭЭ отличается от понятия качества других видов продукции (товара). Это связано с тем, что потребление и производство электрической энергии - это единый технологический процесс. Это означает, что электрическую энергию как товар нельзя хранить. Ее надо потреблять в момент производства. В свою очередь, это означает, что процесс потребления (потребитель) влияет на качество электрической энергии. Таким образом, КЭЭ на месте ее производства не гарантирует КЭЭ в точке присоединения потребителей /Карташов И.И./. КЭЭ в сети до и после включения электроприемников может быть различным. Такое совместное влияние сети и электроприемников на показатели КЭЭ характеризуют такими терминами как "электромагнитная помеха" и "электромагнитная совместимость".

Электромагнитная помеха - это случайное электромагнитное воздействие, влияющее на свойства электрической энергии и способное вызвать нарушение функционирования электротехнического устройства, вплоть до его отказа и разрушения. Различают два вида электромагнитных помех: индуктивные (полевые) и кондуктивные. Индуктивные помехи распространяются через окружающее пространство посредством электромагнитного поля. Кондуктивные помехи (от английского слова "conductor" - проводник) распространяются по проводам электрической сети. Кондуктивная помеха может проявляться как ток или напряжение. Например, ток, обусловленный однофазной нагрузкой, приводит к нарушению симметрии системы трехфазных напряжений и является для трехфазной сети кондуктивной помехой. Токи высших гармоник, обусловленные нелинейностью тиристорных и транзисторных преобразователей, искажают синусоидальность формы кривой напряжения и также являются кондуктивной помехой.

Под электромагнитной совместимостью понимают способность электроприемников нормально функционировать в условиях наличия в электрической сети допустимых кондуктивных помех, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех для других электроприемников. Электрическая сеть и электроприемник электромагнитно совместимы, если, с одной стороны, уровень помех в сети ниже некоторого порогового уровня, называемого уровнем помехоустойчивости электроприемника. А с другой стороны, электроприемник при подключении к сети не вносит недопустимых помех для других электроприемников.

Каким же образом взаимодействуют качество электрической энергии и электромагнитная совместимость? Качество электрической энергии характеризует уровень электромагнитных (кондуктивных) помех в сети и меру их воздействия на приборы и аппараты, а нормы КЭЭ являются уровнями электромагнитной совместимости (для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения /ГОСТ/). Таким образом, КЭЭ системы электроснабжения характеризуют по уровню помех, а сами уровни помех называют показателями качества электрической энергии /Карташов И.И./.

До введения Государственного стандарта ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» качество электрической энергии в нашей стране практически не контролировалось, а нормативные требования к показателям КЭЭ, по сравнению с международными стандартами, были ослаблены.

Исследования КЭЭ, выполненные в нашей стране в процессе разработки нового стандарта, показали, что КЭЭ в электрических сетях было на низком уровне /Карташов/. Причин низкого КЭЭ несколько, основными из них являются следующие. Во второй половине двадцатого века в эксплуатацию было введено мощное технологическое оборудование, содержащее мощные полупроводниковые, главным образом тиристорные преобразователи (в металлургии, на железнодорожном транспорте, в машиностроении и т.д.). В конце двадцатого века и, особенно, в последние годы резко возросло количество бытовой и офисной техники, в составе которых имеются нелинейные преобразователи. Причем доля электроэнергии, потребляемой такой бытовой и офисной техникой в городах, достигает 30-40%. И, наконец, в последние годы для регулирования скорости вращения электродвигателей стали активно внедряться тиристорные и транзисторные частотные преобразователи, также являющиеся источниками искажения напряжения. Все изложенное и привело к снижению КЭЭ в электрических сетях.

Основные причины отклонений и колебаний напряжения.

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.

Отклонение напряжения определяется разностью между действительным напряжением сети U и номинальным U_ном значением напряже­ния, В:

δи=(и-и_ном) / U_НОМ

где U — установившееся (действующее) значение напряжения за интервал усреднения (см. п. 3.8).

Колебания напряжения вызываются резким изменением нагрузки на рассматриваемом участке электрической сети, например, включением асинхронного двигателя с большой кратностью пускового тока, технологическими установками с быстропеременным режимом работы, сопровождающими­ся толчками активной и реактивной мощности — такими, как привод реверсивных прокатных станов, дуговые сталеплавильные печи, сварочные аппараты и т.п.

Источники несимметричных составляющих напряжения в электрических сетях.

Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются однофазные нагрузки, в том числе: индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты, , осветительные установки.

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

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Основные источники высших гармоник в электрических сетях

Искажение кривых напряжения и тока и появление высших гармонических составляющих является следствием наличия в электрической системе нелинейных элементов. Основной вклад в несинусоидальность напряжения вносят статические (вентильные) преобразователи. Кроме вентильных преобразователей форму кривой тока и напряжения сети искажают синхронные генераторы, сварочные аппараты, дуговые печи, флюоресцентные лампы, электрические двигатели и трансформаторы и т.п.

Несинусоидальные кривые токов и напряжений могут быть представлены суммой основной частоты и серии гармонических составляющих более высокого порядка с частотами, кратными основной. Процесс расчета значений и фаз основной частоты и высших гармоник называют гармоническим анализом, а результирующий ряд известен как тригонометрический ряд Фурье

, (1.1.8.17)

где U_n- амплитуды гармонических составляющих;

y_n- их начальные фазы, n- номер гармоники;

w- промышленная частота.

Системы несинусоидальных напряжений (токов) в трехфазных сетях бывают симметричными и несимметричными. При симметричной системе несинусоидальных напряжений для гармоник, кратных трем (k=3n, где n=1,2,3…), фазные напряжения образуют систему напряжений нулевой последовательности. При k=3n+1 гармоника трех фаз образует симметричную систему напряжений обратной последовательности. Таким образом, каждая k-я гармоника симметричной системы несинусоидальных напряжений образует симметричную систему фазных напряжений прямой (при k=1,4,7…), обратной (при k=2,5,8…) или нулевой (при k=3,6,9…) последовательностей.

В большинстве практических случаев система несинусоидальных фазных напряжений (токов) несимметрична. Например, магнитопроводы трехфазных трансформаторов не только нелинейны, но и несимметричны, так как длины магнитных путей крайних и средних фаз различаются в 1,9 раза [ ]. Вследствие этого действующие значения токов намагничивания крайних фаз в 1,3 – 1,55 раза больше токов намагничивания средней фазы. Несимметричные гармоники можно разложить на симметричные составляющие. При этом любая k-я гармоника образует несимметричную систему фазных напряжений и в общем случае содержит составляющие всех трех последовательностей - прямой, обратной и нулевой.

В трехфазных сетях с изолированной нейтралью токи в каждой из фаз при отсутствии замыканий на землю не могут содержать составляющие нулевой последовательности. Поэтому в фазных токах отсутствуют гармоники, кратные трем, а остальные гармоники содержат составляющие только прямой и обратной последовательностей.

Мощные выпрямители, как источники гармоник.

Выпрямители (преобразователи) большой мощности обычно имеют на стороне постоянного тока значительные индуктивности (сглаживающие реакторы, обмотки машин постоянного тока), величина которых во много раз больше, чем эквивалентная индуктивность на стороне переменного тока (питающей сети). Поэтому в качестве источника высших гармоник мощный преобразователь ведет себя по отношению к сети переменного тока как источник тока. При этом он генерирует в сеть гармоники тока, величину которых можно считать независимой от параметров сети.

Из многофазных преобразователей в электрических сетях чаще используются трехфазные двухполупериодные выпрямители. Такие преобразователи называют также 6-фазными или 6-пульсными. Кривая переменного тока в каждой из фаз питающей сети описывается уравнением (8.18) при b= . Подставляя b= в выражение (8.18), получаем для тока фазы А

(1.3.8.20)

Токи фаз содержат только нечетные гармоники, некратные трем, причем знаки (полярности) гармоник чередуются. Гармоники порядка 6k+1 имеют положительные знаки, гармоники порядка 6k-1- отрицательные.

Кроме 6-фазных схем выпрямления применяются также 12-фазные. Для получения 12-фазной схемы две 6-фазные группы подключают к двум трехфазным трансформаторам, вторичные напряжения которых сдвинуты по фазе на 30°.

Такие сети содержат только гармоники порядков 12k±1.

Трансформаторы, как источники гармоник.

До появления статических преобразователей основными источниками высших гармоник были электрические машины и трансформаторы.

Трансформаторы - наиболее распространенный элемент электрической сети. Причиной генерации ими высших гармоник в сеть является нелинейность кривой намагничивания их магнитопроводов и наличие петли гистерезиса. Нелинейность кривой намагничивания и наличие петли гистерезиса приводит к искажению синусоидальности намагничивающего тока трансформаторов (тока холостого хода) и как следствие к появлению высших гармоник в токе, потребляемом трансформатором из сети.

Ток холостого хода современных трансформаторов класса 110 кВ не превышает 1%, а класса 6(10) кВ - 2х-3х процентов. При таких малых токах можно пренебречь активными потерями в мангнитопроводе. В этом случае вместо петли гистерезиса можно использовать основную кривую намагничивания. Кривая намагничивающего тока при таком допущении симметрична относительно оси времени. При этом разложение тока холостого хода в ряд Фурье не содержит четных гармоник. Искажение кривой намагничивающего тока в этом случае вызывает только нечетные гармоники, включая кратные трем. Наиболее существенны 3-я, 5-я и 7-я гармоники [ ], особенно третья.

Гармоники, генерируемые синхронными и асинхронными электродвигателями.

Синхронные и асинхронные двигатели могут генерировать как гармоники тока, так и гармоники напряжения (ЭДС).

Гармоники тока, генерируемые электродвигателями, имеют ту же природу, что и гармоники тока трансформаторов и обусловлены нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопроводов статора и ротора. При этом частотный спектр гармоник тока, генерируемых электродвигателями, как и в случае трансформаторов, содержит все нечетные гармоники, включая кратные трем. При этом наиболее существенными гармониками тока будут 3-я, 5-я и 7-я. По аналогии с трансформаторами при приближенных расчетах можно принимать содержание токов третьей, пятой и седьмой гармоник, соответственно, 40, 30 и 20% от тока холостого хода.