ВВЕДЕНИЕ

В общем случае под показателями КЭ в многофазной системе подразумеваются отклонения и колебания частоты, а также отклонения, размах изменения, несимметрия, неуравновешенность и несинусоидальность напряжений. При этом, если частота является системным параметром, определяемым скоростью вращения генераторов, то остальные показатели зависят от режимов работы как электрической сети, так и нагрузок. Для трехфазных сетей общего назначения пока­затели КЭ нормируются в соответствии с ГОСТ 13109—67 [35].

Проблема повышения КЭ приобрела особую актуальность в последние годы. Это обусловлено широким внедрением в различные отрасли народного хозяйства новых прогрессивных технологических процессов и систем и как следствие, непрерывным ростом 'мощных несимметричных, нелинейных и быстроизменяющихся потребителей электроэнергии, существенно ухудшающих различные показатели качества электроэнергии, а также режимными изменениями потокораспределений в сетях энергосистем. В свою очередь, снижение показа­телей КЭ приводит, с одной стороны, к увеличению потерь напряже­ний и мощности в сетях, уменьшению их пропускной способности, а с другой — нарушению нормальной работы и снижению срока службы электрооборудования (ЭО), снижению количества и качества выпускаемой продукции, уменьшению производительности труда. Так, например, снижение напряжения на 1% вызывает уменьшение произ­водительности ЭО в различных отраслях промышленности от 0,1 до 2,0 % [42, 69]. При несимметрии напряжений 2 % сроки службы асинхронных двигателей сокращаются на 10,8 %, синхронных — на 16,2 %, трансформаторов — на 4 %, конденсаторов — на 20 % [41]. При уменьшении напряжения на 10 %, так же как при несимметрии напряжений 4 %, срок службы электродвигателей сокращается вдвое, а при увеличении напряжений на 10 % срок службы осветительных установок сокращается в 4 раза [60, 293].

Поскольку ряд ее аспектов носит скрытый характер и последствия от них в виде экономического, социального, технологического и других составляющих ущерба, как отмечается в [25, 2281, проявляются постепенно, а когда в последние годы проблема повышения КЗ приобрела особую остроту.

Одной из главных причин ухудшения КЭ в системах электроснаб­жения является использование во всевозрастающих масштабах несимметричных нагрузок, т. е. таких потребителей электроэнергии, симметричные исполнения и режимы работы которых невозможны или нецелесообразны по конструктивным, технологическим и экономическим соображениям. К числу получивших в последние годы большое распространение в промышленности и на транспорте мощных несимметричных потребителей электроэнергии относятся: однофазные установки электрошлакового переплава мощностью до 10000 кВ∙А, позволяющие получать металл такого высокого качества, которое недостижимо для металла обычной выплавки (180); однофазные электровозы переменного тока мощностью до 8000кВ•А [1431]; однофазные индукционные печи мощностью 160—16000кВ•А[30], руднотермические и графитировочные печи, хлораторы, магнитодинамические установки для перекачки металла; дуговые сталеплавильные печи одно- и трехфазного исполнения и др.

Мощными источниками высших канонических гармоник тока являются вентильные преобразователи [38, 531]. Их работа сопровождается искажением формы кривой питающего напряжения. В условиях несимметрии режима, отличного от нуля сопротивления системы, разброс углов управления вентилями в спектрах входного и выходного напряжений преобразователей могут появляться и неканонические частот [8, 224]. Высшие гармоники тока и напряжения отрицательно воздействуют на работу электронного оборудования, устройств телеуправления, релейной защиты и автоматики [38, 225]. Вызываемые ими резонансы токов в контуре, образованном индуктивностью сети и емкостью силовых батарей конденсаторов приводят последние к час­тому выходу из строя [38, 53, 294].

Приемники низковольтных распределительных сетей, которые в большинстве своем являются однофазными, также стали более разнообразными по составу и мощности. Появились бытовые приборы с тиристорными регуляторами, однофазные электроплиты мощностью 8—12 кВт, приемники с низким коэффициентом мощности, люминесцентные лампы и др. При этом по нулевому проводу сетей протекают большие токи как основной частоты, вызванные несимметрией нагрузок, так и высших частот, обусловленные их нелинейным характером [134, 204, 216, 278], что вызывает значительную неуравновешенность напряжений и, как следствие, большие дополнительные потери на­пряжения и энергии [10, 134, 204].

Принципиально существует три возможности улучшения показа­телей КЭ и обеспечения электромагнитной совместимости потребите­лей в многофазных системах: уменьшение сопротивлений элементов систем электроснабжения; изменение напряжений симметричных сос­тавляющих; ограничение токов симметричных составляющих основной и высших гармонических частот в местах их возникновения.

Первая возможность заключается в использовании сдвоенных реакторов [136, 184], установок продольной компенсации [193], быстродействующих токоограничивающих устройств [133] и позволяет осуществлять параметрическую стабилизацию режима напряжений, но не устраняет несимметрию и несинусоидальность токов и связанные с ними последствия (перегрузка обмоток вращающихся машин то­ками обратной последовательности, конденсаторных батарей токами высших гармоник, потери мощности и пр.)

Вторая возможность заключается в создании симметричной сис­темы напряжений на зажимах многофазного приемника, подключенного к несимметричной системе напряжений. Ее реализация, как правило, сопряжена со значительными затратами и ограничивается индивидуальными приемниками. При этом не устраняется несиммет­рия входных токов и напряжений. Такой путь может бить использован, например, при разработке устройств питания трехфазных потре­бителей от системы два провода — земля, рельс, труба [28, 139], от однофазной сети [12, 288], для симметрирования напряжений сети, подключенной к неполнофазной линии электропередачи [16, 45, 149, 150], для стабилизации напряжения [129]. Отметим, что при реализации рассматриваемого способа с помощью фильтров симметричных составляющих [158, 176] возникают большие потери энергии, обусловленные активными элементами фильтров.

Третья возможность заключается в ограничении нагрузочных токов симметричных составляющих до допустимых значений с помо­щью поперечно включаемых КУ компенсационного или фильтрового типов. Принципиальное отличие этого, наиболее эффективного, пути от двух предыдущих заключается в том, что при его использовании устраняется причина возникновения несимметрии (токи), а не ее следствие (напряжения).

1. Показатели качества злектрознергии

Под несимметричным режимом (НР) многофазной системы подразумевается такое ее состояние, при котором условия работы отдельных фаз оказываются неодинаковыми. При этом следует различать кратковременные и длительные НР. Кратковременные НР возникают при аварийных процессах в системах — различного рода коротких замыканиях и обрывах. Длительные НР появляются при пофазном различии параметров системы, неполнофазных режимах и подключении несимметричных нагрузок.

Обычно НР многофазной системы характеризуется симметричными составляющими напряжения и тока с порядком следования фаз, отличньїм от прямого, отнесенньїми соответственно к напряжепию и току прямой последовательности [21]:

Для трехфазных сетей общего назначения согласно ГОСТ 13109—67 [35] НР характеризуется коэффициентами несимметрии и неуравновешенности напряжений: где и — напряжения обратной и нулевой последовательностей; — номинальное напряжение.

Допустимое стандартом значение ІІ" не должно превышать 2% номинального напряжения, т.е. . При зтом значе­ние должно бить таким, чтобы величины напряжений на зажимах однофазних прнемников (с учетом значений , и высших гармо­ник напряжения) не выходили за допустимые пределы.

Отклонение напряжений прямой последовательности определяется из выражения

При этом для осветительных приемников в производственных ио бщест- венных помещениях, а также для прожекторных установок наружного освещения допускаются длительные отклонения напряжений в пределах от -2,2 до +5 %; для всех остальных потребителей — в пределах ±5 %.

Согласно ГОСТ 13109-67 на нормы КЭ [35] и новой редакции п. 2.1 данного документа (изменение №2, действующее с 1 августа 1979 г.) колебания напряжения оцениваются:

а) размахом изменений напряжений — разностью между следующими друг за другом экстремумами огибающей действующих значе­ний напряжения. Если огибающая действующих значений напряжения имеет горизонтальные участки, то размах изменений напряжения определяется как разность между соседними горизонтальными участками или как разность между соседним экстремумом и горизонталь­ным участком

б)частотой изменений напряжения f = m/t, где m — количество изменений напряжения со скоростью изменений более 1 % в 1 с за время t;

в) интервалами ∆t между следующими друг за другом изменениями напряжения, причем если интервалы времени между концом одного изменения и началом следующего происходят в том же нап­равлении менее чем за 0,04 с, то эти изменения рассматриваются как одно. Допустимые значения размахов изменения напряжения в зависимости от частоты изменений напряжения или интервалов между изменениями напряжения приведены на рис. 1. Отметим, что при НР колебания напряжений в различных фазах сети будут неодинаковы.

Согласно измененному стандарту на нормы КЭ коэффициент несинусоидальности напряжений определяется из выражения

где действующее значение напряжения v-й гармоники, -напряжение прямой последовательности основной частоты; n — но­мер последней из учитываемых гармоник. Допустимое значение не должно превьішать 5 %.

Перечисленные показатели характеризуют КЭ в сетях общего на­значения. В тех узлах, где значения показателей КЭ превышают допустимые, следует осуществлять коррекцию соответствующих параметров режима (коррекция частоты в монографии не рассматривается).