Вопросы для самопроверки

1. Каков физический смысл реактивной мощности и каковы ее источники в системах электроснабжения?

2. Выполните баланс реактивной мощности по уровням системы электроснабжения промышленных предприятий.

3. Сравните технические характеристики синхронных машин и батарей конденсаторов как источников реактивной мощности.

4. Обоснуйте экономическую необходимость компенсации реактивной мощности и энергии.

5. Назовите критерии оптимизации компенсации реактивной мощности.

6. Опишите особенности выбора компенсирующих устройств на основе нормативных документов.

Лекция 16 качество электроэнергии и его показатели

Качество электроэнергии оценивается по технико-экономическим показателям, которые учитывают технологический (порча и ухудшение качества продукции, расстройство технологического процесса, снижение производительности труда и производительности механизмов) и электромагнитный (увеличение потерь электроэнергии, повреждение электрооборудования, нарушение работы автоматики, телемеханики, связи) ущерб, причиняемый народному хозяйству.

С истему показателей качества электроэнергии образуют количественные характеристики медленных (отклонения) и быстрых (колебания) изменений частоты и действующего значения напряжения, его формы и симметрии в трехфазной системе. Качество электроэнергии нормируется ГОСТ 13109-87. Стандарт не устанавливает нормы качества электроэнергии у ее приемников в аварийных режимах и в случае присоединения прием-ников к сетям не общего назначения (контактная сеть, сеть передвижных или стационарных маломощных установок до 1000 кВт и др.).

Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) разделяются на основные: отклонение напряжения, размах изменения напряжения, доза колебаний напряжения, коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, коэффициент n - й гармонической составляющей, коэффициент обратной последовательности напряжений, коэффициент нулевой последовательности напряжений, длительность провала напряжения, импульсное напряжение, отклонение частоты - и дополнительные: коэффициент амплитудной модуляции, коэффициент небаланса фазных и междуфазных напряжений. Для определения допустимых значений ПКЭ используют вспомогательные параметры: частоту изменений напряжения, интервал между изменениями напряжения, глубину провала напряжения, интенсивность провалов напряжения, длительность импульса по уровню половины его амплитуды.

В нормальном режиме работы электрической сети значения ПКЭ не должны выходить за пределы нормальных значений, указанных на рис. 10.1 (допускается отклонение до максимальных значений не более 1 ч за каждые сутки).

Отклонение частоты - разность между действительным и номинальным значениям частоты:

Колебания частоты возникают при резкопеременных нагрузках мощных прокатных станов, дуговых плавильных печей, сварочных установок и отрицательно влияют как на генераторы и турбины электрических станций, так и на работающие двигатели переменного тока: приводят к нарушению устойчивости, недопустимым механическим воздействиям на редукторы и роторы электрических машин (скручивание валов). При проектировании систем электроснабжения с мощными резкопеременными активными нагрузками нужно проводить проверочные расчеты колебаний частоты и предусматривать мероприятия по их уменьшению.

Действительное значение напряжения U в электрических сетях фазного тока определяют как действующее значение напряжения основной частоты U₍₁₎ без учета гармонических составляющих, в сетях трехфазного тока – как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U₁₍₁₎.

Колебания напряжения оцениваются:

размахом изменения напряжения, % - отношением разности между следующими друг за другом экстремумами (или экстремума и горизонтального участка) U_i и U_i+1 огибающей амплитудных значений напряжения к номинальному значению напряжения

дозой колебания напряжения, (%)²,

где q_f – коэффициент приведения действительных размахов изменении напряжений к эквивалентным;  – интервал времени усреднения, рав-

н ый 10 мин; S (f, t) – частотный спектр процесса изменения напряжения в момент времени t.

Дозу колебания напряжения при периодических или близких к периодическим изменениях напряжения можно определять по выражению

где U_f – действующие значения разложения составляющих в ряд Фурье изменений напряжения с размахом U_f .

Колебания напряжения дополнительно оцениваются вспомогательными параметрами:

а) частотой изменения напряжения, c^-1 , мин^-1, ч ^-1,

F = т/Т,

где т – число изменений напряжения за время измерения Т;

б) интервалом времени между изменениями напряжения]

где t_i+1 , t_i - начальные моменты следующих друг за другом изменений напряжения, с, мин, ч, в соответствии с рис. 10.2; в) глубиной провала напряжения %,

где U_min – минимальное действующее значение напряжения в течение провала напряжения, В, кВ;

г ) интенсивностью провалов напряжения, %,

где m(U_п, t_п) – число провалов глубины U_п и длительности t_п за рассматриваемый интервал времени Т; М – суммарное число провалов напряжения за рассматриваемый интервал времени Т; д) длительностью импульса напряжения по уровню половины его амплитуды, мкс, мс,

где t_н, t_к – моменты времени, соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса, мкс, мс.

Допустимые значения колебаний напряжения определяются по кривым на рис. 10.1 в зависимости от частоты их повторения или интервала между последующими изменениями; кривая получена экспериментальным путем исследования реакции человека на периодические мигания осветительных установок. Степень раздражения органов зрения человека зависит от значений и частоты миганий светильника. Наиболее неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма человека вызывает мигание света с частотой 3–10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны: не более 0,5% в СНГ, 0,2-0,3% во Франции, США, Японии. Отклонения и колебания напряжения вызывают ухудшение работы электроприемников.

Несимметрия напряжений трехфазной сети характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений К_2и, которая представляет собой отношение действующего значения напряжения обратной последовательности основной частоты U₂₍₁₎ определяемого разложением на симметричные составляющие системы линейных напря­жений, к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

Неуравновешенность напряжения характеризуется коэффициентом нулевой последовательности напряжений U_0и трехфазной четырехпроводной системы, определяемым отношением действующего значения напряжения нулевой последовательности основной частоты U₀₍₁₎ к номинальному фазному напряжению U_ном.ф, %:

Несимметрия напряжения питающей сети обусловлена ростом числа и единичной мощности потребителей электроэнергии, симметричное трехфазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям, например, индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог переменного тока, электросварочные агрегаты, освещение.

Несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом несинусоидальности кривой напряжения К_нси, определяемым отношением действующего значения гармонических составляющих напряжения от п-й до последней гармоники порядка N к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

и коэффициентом п-й гармонической составляющей напряжения К_и(п), определяемым отклонением действующего значения п-й гармонической составляющей напряжения U_(п) к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

Стандарт позволяет не учитывать гармонические составляющие порядка 40 или те, значения которых менее 0,3%.

На различных ступенях напряжения в ряде стран, как и в СНГ, неси­нусоидальность напряжения нормируется тем строже, чем выше напряжение. Например, в Швеции для сети 0,25–0,43 кВ допустимые значения К_нс приняты 4%, для 3,3-24 кВ - 3%, более 84 кВ - 1%.

ГОСТ 13109-87 указывает на необходимость установления на границе раздела балансовой принадлежности электрических сетей требуемых значений всех показателей качества электроэнергии. Эти значения должны определяться по согласованию между договаривающимися сторонами, при подключении нового промышленного потребителя контроль ПКЭ проводят до присоединения и после него.

Периодичность контроля показателей качества электроэнергии осуществляется в зависимости от самого показателя и от потребителя (электроприемника). Во всяком случае, длительность измерения ПКЭ должна быть не менее 1 сут.