1 Анализ качества электрической энергии и влияние его параметров на работу электрооборудования

1.1 Обзор качества электроэнергии в электросетях

Электроэнергия как товар обладает определенными специфическими свойствами. Она непосредственно используется при создании других видов продукции и оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий. Качество электроэнергии (КЭ) определяется через качество работы электроприемников, которые предназначены для функционирования при определенных номинальных параметрах: номинальной частоте, номинальном напряжении, номинальном токе. На КЭ заметное влияние оказывают параметры сетей, а электроприемники и аппараты могут присоединяться в разных точках. Например, значения напряжения на зажимах ЭП зависят от протяженности и схемы электросети. В свою очередь потребители влияют на качество электроэнергии, внося искажения напряжения. Общим параметром режима для электроприемника является напряжение, поэтому, все показатели качества электроэнергии (ПКЭ) представляют собой характеристики напряжения.

В России КЭ в электросети общего назначения регламентируется межгосудаственным стандартом ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

В настоящее время можно утверждать, что качество электроэнергии (КЭ) в России, согласно ряду публикаций, сделанных эксператми, специалистами и инженерами, работающими в области электроснабжения, признается невысоким. Это способствует увеличению отказов электронной и микропроцессорной техники, особенно зарубежного производства, а также существенно снижает технико-экономические показатели эксплуатации промышленных электроприемниуов различного функционального назначения.

Основными причинами низкого качества электроэнергии в российских электросетях можно назвать следующие:

– ввод в эксплуатацию мощного технологического оборудования в металлургии, на железнодорожном транспорте, в машиностроении, являющегося источником искажения напряжения;

– отсутствие контроля за уровнем помех, вносимых в сеть этим оборудованием;

– значительная изношенность электрооборудования распределительных сетей, средств и систем управления ими;

– низкий уровень использования устройств регулирования ПКЭ.

В результате обостряются проблемы с качеством и надежностью электроснабжения.

1.2 Влияние качества электроэнергии на работу цеховых электроприемников

Снижение значений параметров качества электроэнергии на выходных зажимах трансформаторов приводит к ряду отрицательных последствий технологического, электромагнитного и экономического характера:

– невозможность нормального хода технологических процессов потребителей;

– значительные финансовые потери и ухудшение деловой репутации предприятия, вызванные невыполнением контрактов по производству продукции в срок;

– финансовые потери по причинам останова производственного процесса, снижения объемов производства, бесполезных затрат сырья и рабочей силы;

– увеличение потерь активной мощности и электроэнергии;

– сокращение срока службы электрооборудования;

– увеличение капитальных вложений в электрическую систему.

По имеющимся оценкам Ассоциации развития меди (Великобритания) и Европейского института меди, проблемы качества электроэнергии обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза (ЕС) около 10 млрд. евро в год, в то время как затраты на превентивные меры сотавляют менее 5% от этой суммы.

Проводившиеся в Российской Федерации в 2004 году аналитической компанией CNews Analytics исследования показали, что среди 500 российских компаний, участвующих в опросе, около 70% испытывают проблемы, вызванные низким качеством электроэнергии. При этом в качестве главной причины проблем 17% респондентов указали отклонения или колебания напряжения, 10% - перенапряжение, 71% - провал или исчезновение напряжения (включая отключение электричества) и лишь 2% - электромагнитные и радиочастотные помехи. Названные причины являются наиболее типичными. Гистограмма выполненных исследований представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Гистограмма исследований о качестве электроэнергии

Объем финансовых потерь в российских компаниях из-за неудовлетворительного качества электроэнергии в этом исследовании не приводится, однако очевидно, что они достаточно существенные.

Существует ряд отрицательных факторов, являющихся следствием низкого качества электроэнергии.

При отклонении напряжения от номинального значения в лампах накаливания происходит изменение светового потока, а, следовательно, и изменение освещенности рабочей поверхности. Это приводит к резкому снижению производительности труда персонала работающего в помещениях, использующих для освещения такие лампы, а также к перерасходу электроэнергии и сокращению срока службы ламп.

Работа асинхронных двигателей существенно зависит от величины напряжения на его зажимах. Расчеты показывают, что при снижении напряжения на зажимах двигателя на 15% от U_ном его нагрузочный электромагнитный момент снижается до 72% от паспортного значения. Также снижается коэффициент запаса устойчивости, характеризуемый отношением максимального вращающего момента к номинальному, который регламентируется стандартами на конкретные виды асинхронных электродвигателей. В случае снижения напряжения на зажимах электродвигателя при той же мощности на валу увеличивается ток, потребляемый из сети. При этом происходит более интенсивный нагрев обмоток двигателя и, соответственно, снижается срок его службы. При провалах напряжения двигатель может остановиться. Повышение напряжения на зажимах электродвигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3% и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода) для электродвигателей серии А мощностью 20 - 100 кВт, а для двигателей меньшей мощности это увеличение достигает аж 5-7 %.

Режим работы электротермических установок при снижении напряжения существенно ухудшается, увеличивается длительность технологического процесса и, следовательно, себестоимость производства. При значительных отклонениях напряжения от номинальных значений наступает срыв технологического процесса. Так, при напряжении, равном 0,95 U_ном на зажимах рудно-термической печи РКЗ-16,5, ее производительность снижается на 12%. Продолжительность технологического процесса по обжигу заготовок из цветного металла в электрических печах мощностью 675 кВт при снижении напряжения до 0,93 U_ном увеличивается до пяти часов вместо трех, а при снижении до 0,9 U_ном обжиг становится невозможным.

Уровень напряжения существенно влияет на качество сварки. При снижении напряжения до 91% от номинального время сварки увеличивается на 20%, а при выходе его за пределы 90-100% от номинального качество сварных швов ухудшается. Полный брак швов при сварке обычных металлов наступает при выходе напряжения за пределы 85-115%, а при сварке жаропрочных сталей – при 90-110%.

Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению их производительности, повышению удельного расхода электроэнергии и к увеличению себестоимости продукции. Например, снижение напряжения до уровня 0,95 U_ном на производстве хлора и каустической соды сопровождается снижением производительности оборудования на 8% и износу электродов. Повышение напряжения свыше 1,05 U_ном способствует недопустимому перегреву ванн электролизера.

Колебаниями напряжения называются достаточно быстрые изменения параметров системы электроснабжения, когда скорость изменения напряжения составляет не менее 1% в секунду от номинального значения. Такие режимы в сетях возникают, главным образом, при работе резкопеременных цеховых нагрузок, таких как: дуговые сталеплавильные печи (ДСП), мощные сварочные агрегаты, реверсивные прокатные станы, кузнечно-штамповочные машины и другие. Также эти явления наблюдаются при тяжелых пусках высоковольтных двигателей приводов технологических насосов при наличии противодавления, смесителей, дробилок и мельниц, забитых сырьем и др.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на работе большого количества потребителей. Так, на одном из металлургических предприятий, в эксплуатации которого находятся дуговая сталеплавильная печь ДСП-40, а также индукционные печи и синхронные двигатели высокочастотных преобразовательных агрегатов, размахи измерений напряжения достигали 12%. При этом наблюдался брак продукции установок высокочастотного нагрева, отключались системы автоматического управления режимом плавки, происходили сбои в работе синхронных электродвигателей.

Также, при колебаниях напряжения снижается производительность электролизных установок, сокращается их срок службы. Колебания и отклонения напряжения в сетях, питающих машины контактной сварки, существенно сказываются на качестве точечной сварки. Как показали исследования, для различного вида свариваемых деталей допустимые колебания напряжения находятся в пределах 3-5%.

Несимметрия напряжения в электрических сетях предприятий обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок (индукционных плавильных печей, сварочных агрегатов, печей электрошлакового переплава), а также трехфазных, длительно работающих в несимметричном режиме (например, электродуговые сталеплавильные печи). Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений в электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и в противоположном. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом, ротора за счет токов двойной частоты. В асинхронных двигателях при коэффициентах обратной последовательности напряжения, встречающихся на практике и равных 5-6%, снижение вращающего момента оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции проявляются в большей мере. В целом срок службы асинхронных двигателей при К_2U (коэффициент несимметрии по обратной последовательности), равном 2-4%, сокращается на 11%.

При работе электродвигателя с номинальным вращающим моментом и коэффициенте несимметрии напряжений 4%, срок службы его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева. Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще больше. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать их коэффициент загрузки по мощности, а при проектировании – увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта, на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятих.

Несимметрия напряжения не оказывает заметного вляния на работу воздушных и кабельных линий, в то же время нагрев трансформаторов и, следовательно, сокращение срока из службы могут оказаться существенными. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 10%, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16%.

Несимметрия напряжений и токов отрицательно влияет на работу рудно-термических печей, вызывая снижение их производительности, увеличение расхода электроэнергии и, тем самым, уменьшение КПД печи. Ухудшение основных показателей работы рудно-термических печей происходит после некоторых граничных значений несимметрии, когда наблюдается резкое падение производительности и КПД печи при резком возрастании расхода электроэнергии. Последнее объясняется возникновением зон активного и пассивного хода реакции и неравномерностью распределения энергии по объему ванны печи. Увеличение напряжений обратной последовательности на 20% приводит к снижению производительности рудно-термических печей на 30-40%.

Так, на предприятии НПФ ЗАО «Святозар» в городе Барнауле при производстве изделий из полимерных соединений при помощи термопластавтомата Tianjian PLUTO PL 3600 вследствие несимметрии напряжения в трехфазной сети возникает брак продукции. Проведенные службой главного энергетика предприятия исследования показали, что причиной подобного брака являются процессы, происходящие в электромагнитной системе асинхронного двигателя под влиянием фазных напряжений. Так как ток прямой последовательности в статоре двигателя создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой в направлении вращения ротора, а при несимметрии токи обратной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению, из- за этих токов двойной частоты в электрической машине возникает тормозной электромагнитный момент. Электродвигатель несколько снижает обороты, при этом шнек термопластавтомата не может создать достаточного давления в цилиндре, а следовательно, в пресс-форму не поступает необходимое количество расплава, что вызывает брак продукции. Сопротивление обратной последовательности электродвигателей примерно равно сопротивлению заторможенного двигателя и, следовательно, в 5-8 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности. Токи обратной последовательности, накладываясь на токи прямой последовательности, вызывают также дополнительный нагрев статора и ротора (особенно массивных частей ротора), что приводит к ускоренному старению изоляции и, как следствие, уменьшению к.п.д. двигателя. При этом срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя, работающего при несимметрии напряжения 4%, сокращается в 2 раза, а при несимметрии напряжения 5% мощность двигателя уменьшается на 5-10%.