МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. С. СЕЙФУЛЛИНА

Энергетический факультет

Кафедра эксплуатации электрооборудования

Пястолова И.А.

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Эксплуатация электрооборудования»

для специальности «Электроэнергетика»

специализация 2104

АСТАНА 2008

Модуль 1 Теоретические основы эксплуатации электрооборудования Лекция №1. Основные понятия и определения теории эксплуатации

Длительное время положения об эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве основывались лишь на опыте сельских электриков или заимствовались из промышленности. На первых этапах электрификации это не вызывало заметных негативных последствий. В последние годы масштабы использования электрооборудования резко возросли, а ответственность выполняемых им функций заметно повысилась. От технического состояния электрооборудования стали непосредственно зависеть количество, качество и себестоимость выпускаемой продукции, т.е. конечные результаты производства. Естественно, что такие перемены привели к резкому возрастанию роли эксплуатации электрооборудования и появлению новых эксплуатационных задач, которые не удается решить на эмпирической основе. Это вызвало необходимость в разработке теории эксплуатации электрооборудования.

Теория призвана дать целостное научное представление о закономерностях эксплуатации электрооборудования.

На современном этапе техническая база любого производства создается и функционирует на основе комплексного учета возможностей разработки, изготовления технических средств, а также требований по их эксплуатации. Только при таком комплексном подходе обеспечивается эффективность использования техники.

Эксплуатация электрооборудования – это совокупность всех фаз его существования с момента изготовления: транспортировка к месту установки, монтаж и подготовка к пуску, работа по назначению, техническое обслуживание, хранение в периоды простоя, капитальный ремонт и модернизация. Окончание эксплуатации определяется предельным состоянием изделия, когда возникают неустранимые нарушения требований безопасности, или неустранимые отклонения параметров за установленные пределы, или неустранимое снижение эффективности эксплуатации.

Электрооборудование применяют для выполнения конкретных функций. С народнохозяйственных позиций эксплуатация заключается в реализации потребительских свойств электрооборудования. При этом выделяют два вида эксплуатации: производственную и техническую.

Производственная эксплуатация – это процесс использования электрооборудования по своему назначению, в результате которого электрическая энергия преобразуется в другие виды. В этом процессе участвует не только электротехнический персонал, но и персонал, обслуживающий технические объекты (на станке - рабочий, на насосной станции - дежурный и т.п.). Результатом процесса использования служит преобразованная и переданная технологическому объекту энергия.

Техническая эксплуатация - это процесс обеспечения и поддержания требуемого состояния электрооборудования, заключающийся в восстановлении его свойств, утрачиваемых при использовании или хранении. Техническую эксплуатацию осуществляют специалисты энергетической службы предприятия или промышленного объединения.

На длительную и надёжную работу электрооборудования существенное влияние оказывают условия эксплуатации.

Цель эксплуатации. Электрооборудование всегда является час­тью какой-либо установки, предназначенной для выполнения некоторой функций или выпуска продукции.

Другими словами, оно является частью произ­водственной системы, предназначенной для выпуска определен­ной продукции. На рис. 1.1 показана упрощенная схема такой системы. Она содержит подсистемы ресурсов (трудовые - Тр, материальные - Мр и энергетические – Эр) и подсистему техно­логического объекта - Т, осуществляющего преобразование ис­ходных материалов в конечную продукцию. Оборудование как подсистема энергоресурсов обеспечивает энергией производст­венный процесс.

Рисунок 1.1- Упрощенная схема производственной системы

Цель производственной системы – удовлетво­рять растущие потребности общества за счет увеличения выпус­ка продукции, повышения ее качества и снижения себестоимос­ти. Для этого необходимо, чтобы работа всех в совокупности элементов, в том числе и электрооборудование, была подчинена производственной системе. Поэтому цель эксплуатации состоит в обеспечении эффективной работы электрифицированных тех­нологических объектов за счет поддержания требуемой надеж­ности и рационального использования электрооборудование.

Объект изучения рассмотрим на примере электрооборудова­ния. На достижение требуемого качества эксплуатации электро­оборудования основное влияние оказывают: источник электро­снабжения, определяющий качество электроэнергии; эксплуата­ционные свойства используемого электрооборудования, харак­теризующие его пригодность к эксплуатации; технологический объект, определяющий режимы использования и условия окру­жающей среды; служба эксплуатации, от которой зависит каче­ство обслуживания, ремонта и других работ по обеспечению на­дежности электрооборудование. Система названных элементов (рис. 1.2.) составляет обобщенный объект изучения теории экс­плуатации электрооборудование и обозначается для краткости: источник – электроприемник – технологический объект – служба эксплуатации (система И-Э-Т-С). Каждый выделенный элемент системы дает обобщенное представление о реальных объектах.

Рисунок 1.2- Обобщенная схема системы И-Э-Т-С

Источник – это электрооборудование системы сельского эле­ктроснабжения.

Электроприемник – это совокупность электрооборудования от ввода в помещение до рабочего органа или рабочей зоны технологического объекта, включающая три функциональных звена: Эи – устройство присоединения к источнику (внутренняя проводка, пускозащитная аппаратура, средства автоматики и т. п.); Эп – непосредственно электроприемник-преобразователь энергии (электрическая машина, электронагреватель и т. п.); Эт – устройство передачи энергии от электроприемника к тех­нологическому объекту.

Технологический объект – это любая электрифицированная машина, установка, поточно-технологическая линия и другая сельскохозяйственная техника.

Служба эксплуатации – это специалисты электротехнической службы (ЭТС) хозяйства или района, которые контролируют использование и осуществляют обслуживание (ремонт), а также их ремонтно-обслуживающая база.

Наряду с пространственными границами объект изучения характеризуются временными границами, которые охватывают процессы использования, обслуживания и комплектования. Необходимость учета процесса комплектования на стадии эксплуатации обусловлена тем, что для изделий массового применения требования потребителей настолько разнообразны, что на стадии создания электрооборудования их невозможно учесть достаточно подробно и заводу-изготовителю приходится ориентироваться на некоторые усредненные условия эксплуатации, которые иногда не совпадают с конкретной системой И-Э-Т-С. Чтобы в этом случае добиться качественного и эффективного использования электрооборудования, эксплуатационный персонал должен проверить правильность его комплектования и при необходимости подобрать другие типоразмеры или режимы работы, наиболее подходящие для конкретных условий эксплуатации.

Взаимосвязь процессов обслуживания, использования и комплектования, определяющие временные границы объекта изучения, показана на рисунке 1.3.

Система И-Э-Т-С относится к типу «человек-машина», через технологический объект она связана с животными, растениями и с биотехническими системами сельскохозяйственного производ­ства. Неодинаковая природа связей, возникающих между биоло­гическими и техническими звеньями, многообразие элементов и связей между ними и ряд других признаков, присущих данной системе, относят ее к числу сложных. Чтобы упростить исследо­вание, общую систему И-Э-Т-С разделяют на несколько уровней, на каждом из которых конкретизируют взаимосвязь специалис­та (группы специалистов) ЭТС с элементами технической систе­мы: от эксплуатации отдельного вида электрооборудования до эксплуатации целого парка электрооборудования.

Условия эксплуатации – это совокупность всех внешних факторов, от которых зависит эффективность эксплуатации электрооборудования. К ним относятся условия: использования, окружающей среды, электроснабжения и обслуживания.

Условия использования зависят от особенностей технологического объекта. Их определяют режимом работы, характером и уровнем нагрузки, занятостью в течение суток, месяца и года, а также ответственностью объекта, которая характеризуется размером технологического ущерба, возникающего при отказе электрооборудования.

Условия окружающей среды характеризуют дестабилизирующие воздействия на электрооборудование в периоды работы и простоя. В этой группе выделяют климатические условия, место размещения, загазованность, влажность, уровень вибрации и другие воздействия, вызывающие ухудшение свойств электрооборудования.

Условия электроснабжения оценивают влияние источника электроэнергии на надёжность и процессы работы электрооборудования. Они характеризуются качеством напряжения в установившемся и пусковом режимах, потерями энергии в системе её передачи и распределения, а также удельными затратами на электроэнергию.

Условия обслуживания дают сведения о качестве технического обслуживания, текущего и капитального ремонтов, оперативности устранения отказов и затратах ресурсов на все эксплуатационные работы.

Эффективность эксплуатации. В общем случае под эффек­тивностью понимают успешность выполнения поставленной задачи или достижения определенной цели. Для измерения эф­фективности принимают некоторые характеристики изучаемой системы в качестве критериев эффективности. При этом учиты­вают, что правильный их выбор имеет важное народнохозяйст­венное значение, так как ошибочный критерий исказит оценку результатов работы коллектива исполнителей и направит их деятельность по ложному пути.

В соответствии с действующей методикой оценки капитальных вложений и новой техники критерием эффективности служат приведенные затраты. Они состоят из суммы капитальных вложений К, приведенных к одному году при помощи коэффициента нормативной эффективности Ен, и годовых текущих затрат, т.е. издержек производства И:

З = Ен К + И

Этот критерий можно использовать при поиске оптимальных решений эксплуатационных задач в тех случаях, когда сравниваемы варианты равноценны по конечному результату. Обычно намечаемые эксплуатационные мероприятия приводят к изменениям затрат потребляемой энергии и конечных результатов производственного процесса. В этом случае применяют критерий удельных приведенных затрат

где У – ущерб производственной системы, обусловленный некачественным функционированием электрооборудования; W – количество потребляемой электроэнергии за год.

Ежегодные издержки производства, зависящие от электрооборудования, определяют по выражению:

И = Ирен+Икр+Иэ+Ито+Итр+Ипр ,

где Ирен– амортизационные отчисления на реновацию, предназначенные для полного возмещения основных фондов по истечении срока службы электрооборудования; Икр– амортизационные отчисления на капитальный ремонт; Иэ– затраты на электроэнергию; Ито– затраты на техническое обслуживание (оперативное и плановое); Итр– затраты на текущий ремонт; Ипр – прочие затраты.

Принято считать, что вариант решения, для которого критерий имеет наименьшее из возможных значений, наиболее эффективен.

Эксплуатация электрооборудования, при которой потребность производственного процесса в энергии удовлетворяется полностью при наименьших приведенных удельных затратах, назвается оптимальной по удельным затратам.

Практическая ценность результатов исследования тем выше, чем полнее учтены реальные условия эксплуатации при их математическом описании. Чтобы повысить абсолютный эффект оптимизации, приходится усложнять вычислительные процедуры за счет учета случайного характера изменения характеристик системы И-Э-Т-С, неопределенности информации и многокритериальности эксплуатационных задач.

Предмет и методы изучения курса. Предметом изучения в курсе «Эксплуатация электрооборудования» служат основные закономерности, правила и способы выбора (комплектования), использования, технического обслу­живания и ремонта электрооборудования, а также методы решения эксплуатационных задач. Теоретические вопросы изучают на примере обобщенных моде­лей, в которых используются понятия: объект, изделие, оборудо­вание. Они могут заменять любые конкретные виды энергетиче­ского оборудования.

Содержание предмета изучения показано на рис. 2.1. Все те­мы условно разделены на пять разделов и ряд подразделов. Предметом изучения в первом разделе служат исходные сведения об изучаемом оборудовании, основные свойства оборудования, задачи и условия эксплуатации оборудования на предприятиях агропромышленного комплекса.

Второй раздел это теоретические основы эксплуатации энергетического оборудования. Здесь рассмотрены общие зако­номерности получения наибольшей пользы от энергетического оборудования за счет управления его состоянием в периоды ис­пользования и обслуживания.

Рисунок 1.4- Примерное содержание предмета изучения

Третий раздел посвящен изучению закономерностей рацио­нального использования энергооборудования. В отличие от многочисленных материалов по эксплуатации энергооборудо­вания, где приводят рекомендации по организации обслужива­ния и ремонта лишь применительно к сложившимся на практике условиям использования, в этом разделе рассматриваются мето­ды проверки комплектования энергетических установок, обос­нования оптимальных уровней нагрузки, занятости и резерви­рования энергооборудования.

Важное место занимает четвертый раздел - техническая экс­плуатация оборудования. Здесь предметом изучения являются правила, технологические процессы и приемы технического об­служивания, текущего ремонта и хранения конкретных видов энергооборудования, используемого в производстве и в быту.

В пятом разделе приведены способы организации эксплуата­ции и построения энергетических служб. Научно-технический прогресс непрерывно повышает требования к специалистам-эксплуатационникам. Они должны не только хорошо знать до­стигнутое в науке и практике эксплуатации энергооборудова­ния, но и уметь самостоятельно ставить и решать новые эксплу­атационные задачи, направленные на ускорение развития агро­промышленного комплекса. Поэтому при изучении курса ста­вится задача привить навыки технического творчества и мето­дической культуры. Особенность эксплуатационных задач со­стоит в том, что они имеют не только техническое, но и органи­зационное, управленческое и социальное содержание. Все они по своей сущности являются технико-экономическими задачами. При их решении необходимо учитывать гораздо больше факто­ров, чем при изучении рабочих процессов энергооборудования. Многие из них, в том числе и человеческий фактор, имеющий решающее влияние на результаты эксплуатации, не имеют чет­кого количественного описания. Поэтому при изучении курса применяют различные методы познания: эксперимент, анало­гию, сравнение, анализ, синтез, системный подход и т.п. Экспе­римент как метод научного познания - один из самых древних и самых распространенных. Благодаря наглядности и убедитель­ности он имеет большую познавательную роль. Методы экспе­риментирования плодотворно развиваются. В последние годы нашли широкое применение методы активного планирования эксперимента. При изучении эксплуатации энергооборудования многие зависимости выявляются лишь по экспериментальным данным (связь показателей надежности с условиями эксплуата­ции, влияние качества электроэнергии на КПД энергооборудо­вания и т.п.).

При использовании системного подхода в объекте изучения (например, в системе И-Э-Т-С) следует выделить и взаимоувязать следующие аспекты: структурный, позволяющий проанализиро­вать элементный состав объекта; функциональный, показываю­щий взаимосвязь различных функций системы; технико-экономический, рассматривающий технические характеристики во взаимосвязи с экономическими законами и задачами; соци­альный, раскрывающий производственные отношения в коллек­тиве и индивидуальные интересы работников, обслуживающих технику; кибернетический, определяющий внутреннюю органи­зацию и управление системой; исторический, раскрывающий возникновение системы, основные тенденции и перспективы ее развития.

При изучении курса применяют различные методы познания: эксперимент, анало­гию, сравнение, анализ, синтез, системный подход и т.п. Экспе­римент как метод научного познания – один из самых древних и самых распространенных. Благодаря наглядности и убедитель­ности он имеет большое познавательное значение. Методы экспе­риментирования плодотворно развиваются. В последние годы нашли широкое применение методы активного планирования эксперимента. При изучении эксплуатации электрооборудования многие зависимости выявляются лишь по экспериментальным данным (связь показателей надежности с условиями эксплуата­ции, влияние качества электроэнергии на КПД электрооборудо­вания и т.п.).

Задачи и условия рациональной эксплуатации электрооборудования. Главная цель эксплуатации электрооборудования, как показа­но в исходных положениях теории эксплуатации, состоит в под­держании таких уровней его надежности и использования, при которых обеспечивается эффективная работа технологических объектов, оснащенных этим оборудованием.

Анализируя содержание главной цели, в ней можно выделить три промежуточные цели: обеспечение требуемой надежности электрооборудования, обеспечение рационального использова­ния электрооборудования, снижение эксплуатационных затрат.

Каждая из выделенных целей ставит перед эксплуатацией ряд технических, технологических, социальных и экономических задач, взаимосвязь которых показана в табл. 1.1.

Таблица 1.1- Классификация целей и задач эксплуатации

Поддержание требуемой надежности

Технические задачи

Организационные задачи

Совершен­ствование и замена уста­ревшего электро­оборудова­ния

Предупреж­дение ава­рийных ре­жимов ис­точника и технологи­ческого объ­екта

Совер­шенство­вание ремонтно-обслуживающей базы

Повышение квалифи­кации и со­вершенство­вание сис­темы стиму­лирования персонала

Совер­шенство­вание учета отказов, простоев

Совершен­ствование организа­ции техни­ческой экс­плуатации

Рациональное использование электрооборудования

Технико-технологические задачи

Организационные задачи

Повыше­ние су­точной и годовой занятости

Поддержа­ние опти­мальной нагрузки

Примене­ние прину­дительных режимов работы

Разработка нормативов оптимального использования

Совершенствова­ние учета и сис­темы стимулиро­вания результа­тов использова­ния

Поддержание оптимального уровня затрат на эксплуатацию

Социальные задачи

Организационные задачи

Форми­рование трудовых кол­лективов

Внедрение научной организа­ции труда

Улучшение жилищно-бытовых условий

Повыше­ние производительности труда

Повыше­ние фондовооруженности

Совершен­ствование системы оцен­ки результа­тов работы

Решение технических задач связано с повышением качества оборудования за счет его совершенствования и своевременной замены устаревших изделий, улучшения обслуживания, оптими­зации режимов использования и внедрения автоматизации. Тех­нологические задачи направлены на более тщательное согласо­вание технологических процессов с возможностями оборудования, на снижение энергоем­кости процессов и повышение качества выпускаемой продукции.

Социальные задачи, имеющие большое, но часто недооцени­ваемое значение, состоят в улучшении моральных, трудовых и бытовых условий специалистов энергетических служб (ЭНС). Организационные задачи направлены на совершенствование формы, структуры, принципов управления ЭНС; на улучшение способов выполнения технического обслуживания, текущих и капитальных ремонтов; на достижение четкого взаимодействия подразделений и специалистов службы.

Лекция №2 Показатели и нормативы качества электроэнергии Влияние качества электрической энергии на работу электроприемников

Показатели качества электроэнергии

Положительный эффект от электрификации может быть получен при условии снабжения потребителей качественной электроэнергией. При снижении его не только ухудшаются показатели функционирования элек­трооборудования и энергетических установок, использующих электроэнер­гию, но и наносится серьезный ущерб электрифицированному производству.

Требования к качеству электрической энергии у нас в стране регламентирована ГОСТ 13109-99 «Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назна­чения». Стандарт устанавливает требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назна­чения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются приемники или потребители электри­ческой энергии, кроме: электрических сетей специального назначения (контактные тяговые, связи), сетей передвижных установок (поездов, самолетов) автономных систем электроснабжения; сетей временного назна­чения, сетей присоединенных к передвижным источникам питания.

По ГОСТу показатели качества электрической энергии (ПКЭ) разделены на две группы:

ПКЭ основные

ПКЭ дополнительные.

Основные ПКЭ определяют свойства электрической энергии, харак­теризующие ее качество. Следует отметить, что показатели связанные с напряжением зависят от протяженности сети и количества трансформации. Чем выше класс напряжения, тем жестче требования к нормам качества электрической энергии. Частота сети является общесистемным параметром качества и является одинаковой для всех классов напряжения.

ГОСТ устанавливает 11 основных ПКЭ:

- отклонение частоты ;

- установившееся отклонение напряжения ;

- размах изменения напряжения ;

- дозу фликера (мерцания или колебания) ;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряже­ния ;

- коэффициент -й гармонической составляющей напряжения ;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной после­довательности ;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности ;

- глубину и длительность провала напряжения ;

- импульсное напряжение ;

- коэффициент временного перенапряжения

При определении значений некоторых показателей КЭ исполь­зуют следующие вспомогательные параметры электрической энер­гии:

- частоту повторения изменений напряжения ;

- интервал между изменениями напряжения ;

- глубину провала напряжения ;

- частота появления провалов напряжения ;

- длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ;

- длительность временного перенапряжения

Установлены два вида норм ПКЭ: нормально допустимые (норм.) и предельно допустимые (пред.).

Рассмотрим наиболее применимые из основных показатели качества электроэнергии.

Отклонение частоты и причины его возникновения

Отклонение частоты в электрической системе, Гц, характеризу­ет разность между действительным и номинальным значениями частоты f_ном переменного тока в системе электроснабжения и определяется по выражению:

Допустимые нормы по отклонениям частоты составляют:

= ±0,2 Гц; = ±0,4 Гц.

Отклонение частоты обусловлено дисбалансом между активной мощностью генерато­ре электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой с учетом потерь мощности на передачу в электрической сети.

Отклонение напряжения

Отклонение напряжения характеризуется показателем установив­шегося отклонения текущего значения напряжения от номиналь­ного значения :

Отклонение напряжения обусловлено изменением потерь напря­жения, вызываемых изменением мощностей нагрузок. Отклонение напряжения нормируется на выводах приемников элек­трической энергии:

Нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения равны соответственно ±5 и ±10% от номинального значения напряжения.

Размах изменения напряжения

Размах изменения напряжения – разность между сле­дующими друг за другом действующих значений напряжения лю­бой формы, т. е. между следующими друг за другом максимальным и минимальным значениями огибающей действующих значений на­пряжения.

Предельно допустимое значение суммы установившегося откло­нения напряжения и размаха изменений напряжения , в точ­ках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10% от номинального напряжения.

Доза фликера

Фликер (мерцание) – субъективное восприятие человеком ко­лебаний светового потока искусственных источников освещения вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питаю щей эти источники.

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воз­действию фликера за установленный промежуток времени, т. е. ин­тегральная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раз­дражение мерцаниями (миганиями) светового потока.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фли­кера колебаниях напряжения равно 1,38, а для длительной дозы фликера, при тех же колебаниях напряжения равно 1,0.

Кратковременную дозу фликера определяют на интервале вре­мени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера опре­деляют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фли­­кера в точках общего присоединения потребителей электричес­кой энергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равно 1,0, а для длительной дозы фликера в этих же точках равно 0,74.

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения появляется потому, что в кри-1вой напряжения, помимо гармоники основной частоты , имеют место гармоники других высших частот, кратных основ­ной частоте ( = 2, 3,4 … ).

Причиной возникновения несинусоидальности напряжения является наличие потребителей электроэнергии с нелинейной вольтамперной характеристикой. Основной вклад в несинусоидальность напряжения вносят тиристорные преобразователи электрической энергии.

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициентом -й гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения , %, является отношением суммарного действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения ос­новной гармоники, причем :

Таблица 2.1- Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, %

Нормально допустимое значение при , кВ				Предельно допустимое значение при , кВ
0,38	6...20	35	110...330	0,38	6...20	35	110...330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

При определении коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в практике не учитывают гармоники порядка 13 и выше.

Коэффициент -й гармонической составляющей , % являет­ся отношением действующего значения напряжения -й гармоники к действующему значению напряжения первой гармоники:

Несимметрия напряжения

Несимметрия трехфазной системы напряжений появляется при наличии в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Основной причиной возникновения несимметрии напряжения являются потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам. К ним относятся: однофазные потребители, включаемые на фазное либо междуфазное напряжения; трехфазные потребите­ли с несимметричным потреблением мощности по фазам (в частно­сти, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки). Причи­ной несимметрии напряжений может быть также несимметрия со­противлений сети по фазам.

Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии обратной последовательности , %, и нулевой последовательности , %, которые представля­ют собой отношение действующего значения напряжения соответ­ственно обратной и нулевой последовательности к действующему значению напряжения прямой последовательности (к номинально­му напряжению):

где и – действующие значения напряжения соответствен­но обратной и нулевой последовательностей основной частоты трех­фазной системы напряжений, В и кВ.

Нормальные и предельно допустимые значения К₂ и К₀ не должны превышать соответственно 2 и 4%.

В приложении к Госту конкретно поясняется, как следует определять действующие значения напряжений обратной и нулевой последовательности. Приведены также конкретные рекомендации по определению дополнительных ПКЭ и вспомогательных ПКЭ.

Приближенные формулы для определения напряжений обратной и нулевой последовательностей:

,

где и – наибольшее и наименьшее значение из трех междуфазных напряжений основной частоты, В, кВ.

,

где и – наибольшее и наименьшее значение из трех фазных напряжений основной частоты, В, кВ.

Влияние качества электрической энергии на работу электроприемников

Из всех показателей первостепенное значение имеют отклонения и колебания напряжения. Это обусловлено двумя причинами: во-первых, отклонение напряжения существенно влияет на технико-экономические параметры всех видов электрооборудования; во-вторых, отклонение напряжения в большей мере, чем другие показатели, не соответствуют норме.

Степень влияния отклонений напряжения зависит от их значения, знака и продолжительности, а также типа электроприемника.

Основной потребитель электроэнергии в сельскохозяйственном производстве – трехфазный асинхронный двигатель. Поэтому наиболее подробно рассмотрим работу асинхронного двигателя при неноминальных условиях.

Работа трехфазных асинхронных двигателей при неноминальных условиях

Работа асинхронного двигателя при напряжении выше номинального

Рассмотрим влияние повышения напряжения при частоте сети , равной номинальной и моменте нагрузки на валу равному или близкому к номинальному .

Если пренебречь потерей напряжения, то:

,

где ω₁ - число витков обмоток статора;

k_об.1 - обмоточный коэффициент;

Ф₁ - магнитный поток, Вб.

Из вышеприведенного выражения следует, что при увеличение напряжения приводит к увеличению магнитного потока машины. Увеличение магнитного потока приводит к увеличению реактивной составляющей тока холостого хода , и следовательно, к увеличению тока холостого асинхронного двигателя . С другой стороны:

,

где - ток ротора асинхронного двигателя или нагрузочная составляющая тока статора, откуда следует, что при увеличение приводит к уменьшению тока и нагрузочной составляющей первичного тока. Первичный ток определяется выражением:

,

Причем одна составляющая этого выражения возрастает, а другая уменьшается. Изменение при увеличении до 10% зависит от соотношения /

При первичный ток возрастает, при первичный ток остается неизменным и даже может уменьшиться. При увеличении более 10% первичный ток возрастает в обоих случаях.

Нагрев электрической машины происходит вследствие потерь в обмотках и стали. Увеличение приводит к увеличению магнитной индукции . Потери в стали приблизительно пропорциональны квадрату индукции и квадрату частоты, а потери в обмотке квадрату протекающего по ним тока. Электрические машины сконструированы таким образом, что при увеличении напряжения до 10% потери в стали остаются в пределах допустимых.

Следовательно, при увеличении напряжения асинхронный двигатель перегревается вследствие повышения потерь в обмотке статора и стали машины. Перегрев асинхронного двигателя выше допустимого приводит к уменьшению его срока службы . Также ухудшаются и другие эксплуатационные показатели: уменьшается и коэффициент полезного действия .

Работа асинхронного двигателя при напряжении ниже номинального

Рассмотрим уменьшение напряжения на зажимах асинхронного двигателя при условиях аналогичных вышеприведенным. Анализ предыдущих выражений приводит к следующему выводу. В результате уменьшения уменьшается увеличивается ток .

Изменение первичного тока в этом случае определяется загрузкой электрического двигателя

Как было установлено, при боль­шой нагрузке асинхронного двигателя уменьшение напряжения на его зажимах приводит к перегрузке обмоток двигателя токами со всеми вытекающими отсюда последствиями (увеличение потерь, уменьшение кпд, перегрев обмоток). Если двигатель длительно работает при понижении напряжении, то из-за большого нагрева износ изоляции ускоряется и срок службы уменьшается в 1,5 раза. Приближенно эту связь записывают следующей формулой:

где - срок службы изоляции при номинальном напряжении и номинальной загрузке; - загрузка; - отклонение напряжения.

Если двигатель нагружен слабо, например до 35 – 40% от номинальной мощности, то уменьшение может привести к улучшению энергетических показателей двигателя. Действительно, намагничивающий ток в результате уменьшения потока при этом весьма значительно уменьшается, и, следовательно, коэффициент мощности заметно уве­личивается. Уменьшаются пропорционально также магнитные потери. Хотя при уменьшение будет вызывать соот­ветствующее увеличение , вследствие недогрузки двигателя вели­чина может не превышать номинального значения. Нагрузочная составляющая увеличивается так же, как , но ввиду уменьше­ния результирующая величина может даже уменьшиться. В ре­зультате указанных причин величина кпд может увеличиться. По ряду причин некоторые асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут быть сильно недогруженными. Если обмотки статора таких двигателей нормально соединены в треугольник, то для улучшения их и кпд может оказаться целесообразным переключение их в звезду. Напряжения фаз при этом уменьшатся в раза, что вызовет также уменьшение раза, уменьше­ние в 2 – 2,5 раза и при условии – увеличение в раза. Если при этом кпд улучшится или даже останется неизменным, то для улучшения сети целесообразно переклю­чить обмотки статора в звезду. Величина нагрузки, ниже которой такое переключение для данного двигателя целесообразно, должна быть установлена путем расчета или экспериментально.

Работа асинхронного двигателя при изменении частоты

Частота сети может отличаться от номи­нальной в особенности в маломощных автономных энергетических установках (транспорт, лесоразработки, изолированные строительные объекты и пр.). Рассмотрим влияние изменения частоты на ра­боту двигателя, когда и момент нагрузки на валу равен или близок номинальному.

Если пренебречь падениями напряжения, то

откуда следует, что при и изменение приводит к изме­нению потока двигателя . С другой стороны,

откуда следует, что при изменение приводит к изменению вторичного тока и нагрузочной составляющей первичного тока.

Ввиду заметного насыщения магнитной цепи асинхронных дви­гателей уменьшение и соответствующее ему увеличение при­водят к значительному увеличению намагничивающего тока . Например, уменьшение на 10% обычно вызывает увеличение на 20—30°о. Хотя при увеличении и ток соответ­ственно уменьшается, более значительное увеличение намагничи­вающего тока может вызвать общее увеличение первичного тока и перегрев первичной обмотки.

Увеличение и соответствующее ему уменьшение приводят к заметному уменьшению намагничивающего тока. При этом, од­нако, при растет ток , что приводит к перегрузке током обмотки ротора, а при определенных условиях также и к пе­регрузке обмотки статора.

Таким образом, как уменьшение, так и увеличение частоты вы­зывают ухудшение условий работы асинхронных двигателей, рабо­тающих при нагрузках, близких к номинальным. Поэтому колеба­ния частоты сети должны быть ограничены. По ГОСТ двига­тели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.

При одновременном отклонении напряжения и частоты двигатели переменного тока, согласно ГОСТ, должны отдавать номи­нальную мощность, если сумма процентных значений этих откло­нений без учета знаков не превосходит 10%.

Величина моментов в механической характеристике асинхронного электродвигателя прямо пропорционально напряжению на его зажимах. Снижение напряжения существенно уменьшает крутящий момент. При изменении на 10% изменяется на 19%. Отрицательное отклонение может настолько снизить момент, что затруднит пуск электродвигателя или вызовет его “опрокидывание” при работе под нагрузкой. При работе сельскохозяйственных машин это факторы необходимо учитывать наряду с оптимизацией нагрузки электродвигатель должен быть проверен на возможность пуска.

Работа трехфазного асинхронного двигателя при искажении

симметрии напряжения

Несимметричные режимы работы асинхронных машин целесо­образно исследовать с помощью метода симметричных составляю­щих, пренебрегая насыщением и пользуясь методом наложения. Составляющие нулевой последовательности в токах обмоток асин­хронных двигателей обычно не возникают, так как нулевые точки этих обмоток, если обмотки соединены в звезду, обычно изолированы. Поэтому следует рассмотреть поведение асинхронных машин по отношению к прямой и обратной составляющим напряжений и токов.

Пусть система трехфазных напряжений, приложен­ных к первичной обмотке асинхронной машины, несимметрична и содержит составляющие прямой ( ) и обратной ( ) последова­тельности. Введя дополнительный индекс 1 для обозначения прямой по­следовательности, а затем распространим эти результаты на напря­жения и токи обратной последовательности (с дополнительным ин­дексом 2).

Напряжения вызывают в первичной цепи машины токи пря­мой, последовательности . Эти токи создают магнитное поле и по­ток прямой последовательности, которые вращаются со скоростью:

и индуктируют токи прямой последовательности во вторичной обмотке. Токи и создают общее магнитное поле прямой по­следовательности, вращающееся со скоростью Скольжение ро­тора относительно этого поля есть скольжение прямой последо­вательности г

где – скорость вращения ротора, положительная в случае, когда ротор вращается в сторону поля прямой последовательности.

Для системы токов и напряжений прямой последовательности действительна схема замещения рис. 6.1, а. Эта схема позволяет рассчитать токи и ( если известны и параметры машины.

Рисунок 2.1 - Схемы замещения асинхронной машины для токов и напряжений прямой (а) и обратной (б) последовательности

Токи и поле прямой последовательности создают вращающий момент прямой последовательности:

Напряжения обратной последовательности , приложенные к первичной обмотке, вызывают в ней токи обратной последова­тельности . Токи создают поле обратной последовательности, вращающееся с той же скоростью, что и поле прямой последователь­ности, но в обратную сторону, так как эти токи имеют обратное чередование фаз. Следовательно, скорость поля обратной последо­вательности:

Это поле индуктирует во вторичной цепи токи обратной последова­тельности . Токи и создают общее магнитное поле обратной последовательности. Скольжение ротора относительно этого поля, или скольжение обратной последовательности:

Для системы токов и напряжений обратной последовательности действительна схема замещения рис. 6-1, б, которая аналогична схеме рис. 6-1, а, однако вместо скольжение .

Токи и поле обратной последовательности создают .вращающий момент обратной последовательности:

Знак минус здесь введен по той причине, что при > 0 момент действует в сторону вращения обратного поля и является по­этому отрицательным.

На ротор машины действует общий вращающий момент:

Необходимо отметить, что, кроме моментов и , в резуль­тате взаимодействия токов обратной последовательности ротора с прямым полем и взаимодействия токов прямой последовательности ротора с обратным полем возникают также добавочные составляю­щие вращающего момента. Однако эти добавочные моменты пульсируют с большой частотой, равной и средняя величина их равна нулю. Поэтому они практически не оказывают влияния на движе­ние ротора. Вместе с тем в результате взаимодействия прямых и обратных полей возникают вибрационные радиальные силы ча­стоты . Рассматривая характерный для практики случай соединения обмоток по схеме звезда без нулевого провода», можно установить, что вращающий момент двигателя снизится за счет противодействия момента обратной последовательности.

Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5... 7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляю­щей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вы­зывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его рас­полагаемая мощность. Быстро стареет изоляция и т.д. Опасность несимметрии заключается в том, что ток одной из фаз увеличивается, вызывая ее перегрев и преждевременный выход из строя. Поэтому для соблюдения нормируемого перегрева при 5%-ной несимметрии рекомендуют снижать нагрузку электронагревателя на 5…10% против номинальной, 10% - на 25 – 40, 1 – 2% – на 3 – 4%.Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при ко­эффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.

Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5... 7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляю­щей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вы­зывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его рас­полагаемая мощность. Быстро стареет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при коэффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.

Значительное внимание следует обращать на величину фазных токов. Для асинхронных двигателей с большой кратностью тока короткого замыкания асимметрия токов в фазах превышает асимметрию в 3…8 раз, что вызывает её перегрев и преждевременный выход из строя.

Поэтому для соблюдения нормируемого перегрева при 5%-ной несимметрии рекомендуют снижать нагрузку электронагревателя на 5…10% против номинальной, 10% - на 25 – 40, 1 – 2% – на 3 – 4%.

Несинусоидальность приложенного напряжения приводит к появ­лению тока высших гармоник, что проявляется в поверхностном эффекте (вытеснение тока к поверхности проводника), что приводит к дополнительным потерям тепла, нагреву изоляции электрооборудования и снижению срока его службы.

В целом несинусоидальные режимы обладают теми же недостат­ками, что и несимметричные. Однако несинусоидальные токи при­водят к большему дополнительному нагреву вращающихся машин, наряду с этим растут вибрационные нагрузки.

Работа осветительных установок при отклонении напряжения

Особенно чувствительны к изменению напряжения осве­тительные установки. Их основные параметры, световой поток и срок службы имеют следующую связь с напряжением, выра­женным относительно номинального значения

для ламп накаливания:

мощность

световой поток

световая отдача

срок службы

В лампах накаливания при снижении напряжения заметно падает световой поток, что отрицательно сказывается на освещенности рабочих мест, а это, в свою очередь, влияет на производительность труда, утомляемость работников и ухудшение условий безопасности при выполнение технологических операций. Для нормальной освещённости при пониженном напряжении требуется увеличение числа ламп накаливания или их мощности, что приводит к перерасходу электрической энергии.

При повышенном напряжении сверх номинального резко сокращается срок службы лампы и имеет место перерасход электрической энергии.

Повышение напряжения катастрофически опасно для ламп накаливания. Если отклонения составляют 4 – 10%, то срок службы снижается в 5 раз. При повышении напряжения на 15% лампа служит не более 90 ч, т. е. всего одну неделю. В таких случаях экономически оправдано применение местных средств регулирования напряжения, например вольтдобавочных транс­форматоров

для люминесцентных ламп:

срок службы

световой поток

Люминесцентные лампы менее резко реагируют на изменение напряжения, но при снижении напряжения до 93…94% от номинального лампы могут не загореться. При повышении напряжения на 6…7% перегревается вспомогательная аппаратура. С увеличением подводимого напряжения возрастает потребление люминесцентными лампами реактивной мощности, что приводит к дополнительным потерям энергии и ухудшает . Следует также отметить, что в отличие от ламп накаливания, срок службы люминесцентных ламп сокращается не только при повышении напряжении, но и при его снижении. При отклонениях напряжения в пределах ±10% срок службы люминесцентных ламп в среднем снижается на 20…25%

для ДРЛ:

срок службы

световой поток

Работа специальных установок при отклонении ПКЭ от номинальных

Электронагревательные и термические установки очень чувствительны к отклонениям напряжения. Общим для всех типов электронагревательных установок является то, что потребляемая мощность (активная) зависит от квадрата приложенного напряжения. Поэтому при снижении напряжения производительность электронагревательных установок снижается пропорционально квадрату напряжения, что требует увеличения времени работы установки и сопровождается увеличением расхода энергии на единицу продукции. При повышении напряжения происходит увеличение потребляемой мощности электронагревательной установкой и резко сокращается срок службы нагревательных элементов. Таким образом, как снижение, так и повышение напряжения для электронагревательных установок нежелательны.

Вентильные преобразователи обычно имеют систе­му автоматического регулирования постоянного тока путем фазо­вого управления. При повышении напряжения в сети угол регули­рования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем.

Электросварочные установки переменного тока ду­говой и контактной сварки представляют собой однофазную нерав­номерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 - для дуговой сварки и 0,7 - для контактной. При снижении напряжения до 0,9 время сварки увеличивается на 20 %, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1) возникает брак сварных швов.

Электрохимические и электролизные установки работают на постоянном токе, который получают от преобразова­тельных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8 ...0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению про­изводительности, а повышение напряжения – к недопустимому пе­регреву ванн электролизера.

Конденсаторы. Реактивная мощность конденсаторов, как и любого постоянного сопротивления, пропорциональна квадрату напряжения. Это значит, что при понижении напряжения в сети мощность конденсато­ров снижается пропорционально квадрату напряжения.

При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последо­вательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных при­емников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств.

Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы рабо­ты многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация вы­прямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние не­симметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений нерав­номерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что дела­ет невозможным полное использование установленной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как отдаче реактивной мощ­ности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения).

Несимметрия напряжения значительно влияет и на однофазные потребители. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напря­жением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением.

Несимметрия усложняет работу релейной защиты, ведет к ошиб­кам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.

В производстве и быту широкое распространение получают электроприёмники с нелинейными вольт-амперными характеристиками: тиристорные преобразователи, электросварочные установки, газоразрядные лампы, феррорезонансные стабилизаторы и пр. Они потребляют из сети несинусоидальный, а иногда и непериодический ток. В результате возникают нелинейные искажения кривой питающего напряжения, которые неблагоприятно сказываются на работе систем релейной защиты, автоматики, радиоэлектронной аппаратуры и силового электрооборудования.

Как уже отмечалось выше, несинусоидальные режимы обладают теми же недостатками, что и несимметричные. Они приводят к увеличению диэлектрических потерь в конденсаторах и котлах.

Проникновение высших гармоник в сеть приводит к нарушениям работы устройств телемеханики автоматически, релейной защиты. В сети возможно возникновение резонансных режимов на высших гармоник, при этом резко возрастают токи и напряжения на отдельных участках сети.