Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

результатов контроля: осциллограммы, спектрограммы, гистограммы, графики изменения ПКЭ и мощности нагрузки.
2. При контроле качества электроэнергии средства измерения должны обеспечивать такую точность измерений, чтобы расширенная неопределенность измерений показателей не превышала значений, установленных требованием ГОСТ 30804.4.30-2014.
3. Оценка показателей на соответствие требованиям ГОСТ 32144-2913 должна включать статистическую обработку результатов по определению вероятности попадания значений ПКЭ в нормируемый диапазон.
5. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
5.1. Причины и последствия отклонений напряжения
Цель лекции: сформировать представление о влиянии отклонений напряжения в сети на технико-экономические характеристики элементов систем электроснабжения.
Задачи лекции:

получить знания о причинах изменения отклонений напряжения в системах электроснабжения;

изучить реакцию отдельных электроприемников на изменение уровня питающего напряжения.
Ранее отмечалось, что обеспечение потребителей качественной электрической энергией является важной технико-экономической проблемой.
По данным специальных исследований, в которых участвовали 500 отечественных компаний, примерно 70 % из них испытывают в своей деятельности осложнения, связанные с ненадлежащим качеством электрической энергии. При этом ненормативные отклонения напряжения мешают работе примерно 17 % участвовавших в исследовании организаций.
Как известно, функционирование любых электроприемников в той или иной степени влияет на уровень напряжения в сети. Чем более мощным

является приемник, тем больший ток он потребляет и сильнее его влияние на сеть. Отклонения напряжения в отдельных узлах системы электроснабжения не остаются постоянными. Величина тока, потребляемого мощными электроприемниками, меняется в процессе их функционирования.
Воздействие одних проявляется только при пуске или в процессе регулирования их параметров. Другие приемники существенно влияют на сеть в период основного, установившегося режима работы, что определяется особенностями технологического процесса, в которых они задействованы.
Основные промышленные источники воздействий на отклонения напряжения в сети располагаются:

на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности,

на машиностроительных предприятиях,

на комбинатах черной и цветной металлургии,

на тяговых подстанциях железнодорожного транспорта,

на предприятиях с мощными однофазными электроприемниками,
(например, это могут быть печи сопротивления, индукционные печи и другие электротехнологические установки).
По условиям технологического процесса в течение всего рабочего цикла работа промышленных установок указанных предприятий сопровождается потреблением и перепадами токов очень большой величины
(рис. 63). Это характерно для машиностроительных предприятий с мощными сварочными установками, металлургических предприятий, использующих дуговые сталеплавильные печи или электролиз. Аналогичные явления наблюдаются при работе железнодорожного транспорта, а также, например, при производстве химического волокна.
Потребитель
Источник отклонений напряжения
Целлюлозно-бумажная промышленность
Производство химических волокон
Машиностроительные предприятия
Мощные сварочные установки
Предприятия черной металлургии
Дуговые сталеплавильные печи
Предприятия цветной металлургии
Электролиз
Железнодорожный транспорт
Тяговые подстанции
Предприятия с мощными однофазными электроприемниками
Мощные однофазные электроприемники

Рис. 63. Электроприемники, являющиеся источником отклонения напряжения в сети в установившихся режимах
Рис. 64. Электроприемники, являющиеся источником отклонения напряжения в сети в пусковых и переходных режимах
Некоторые электроприемники отличаются тем, что их токи увеличиваются в несколько раз по сравнению с номинальными значениями только в переходных режимах (рис. 64).
Перепады нагрузки приводят к изменениям падения напряжения на отдельных элементах энергосистемы. В сетях среднего и высокого напряжения индуктивные сопротивления линий значительно превышают величину активных сопротивлений (x > r). По этой причине уровни напряжения в узлах электрической сети в основном зависят от реактивных падений напряжения и определяются балансом реактивной мощности.
Изменения в передаче активной мощности в высоковольтных сетях влияет на отклонения напряжения в меньшей степени.
Искажающие токи суммируются в узлах. При этом значения напряжения в отдельных точках сети зависит от суммы токов, протекающих через них, а также от уровней напряжения в центрах питания. Кроме того, на величину напряжения будут влиять такие явления, как изменение мощности компенсирующих устройств и регулирование напряжения на электрических станциях или подстанциях, а также изменения в схемах системы электроснабжения, так как при этом будут меняться параметры электрических цепей и, следовательно, значения токов. В итоге в различных узлах одной сети отклонения напряжения могут быть разными в один и тот же момент времени, а также в отдельно взятом узле отклонения напряжения
Источник отклонений напряжения
Режим работы
Электродвигатель с регулируемой скоростью
Пуск, торможение
Трансформаторы
Включение, отключение
Печи сопротивления
Включение

в разные периоды времени также могут быть разными. В целом отклонения напряжения зависят от широкого спектра случайных факторов. Однако суточные и сезонные изменения уровня напряжения, определяемые переменами в энергопотреблении, являются наиболее заметными.
Итак, в любой точке присоединения уровень напряжения меняется, в том числе из-за воздействия подключенных электроприемников. При этом они сами оказываются запитанными на напряжение, величина которого может быть отличной от номинального значения. Изменение питающего напряжения сказывается на их работе и технико-экономических характеристиках.
Последствия отклонений напряжения зависят не только от величины, но и от продолжительности отклонения, а также от того, какой процент потребителей подвергается большим отклонениям. Рассмотрим более детально влияние отклонений напряжения в сети на работу распространенных промышленных электроприемников.
1. Наиболее широкое применение в промышленности имеют асинхронные двигатели. Они используются для приведения в движение самых разнообразных механизмов.
При отрицательном отклонении напряжения резко падает частота вращения асинхронных двигателей. Поскольку развиваемый двигателями момент зависит от величины подводимого напряжения в квадрате, то частота вращения асинхронных двигателей существенно меняется в зависимости от подведенного напряжения. В ряде случаев при использовании асинхронных двигателей для привода поточных линий, обеспечения работы автоматизированных станков и других подобных установок изменение напряжения даже в пределах допустимых 10 % может существенно повлиять на производительность технологического оборудования и качество выпускаемого продукта.
При положительном отклонении напряжения в сети по сравнению с номинальным уровнем механическая мощность на валу асинхронного

двигателя остается практически постоянной. В то же время растет потребление активной мощности, идущей на нагрев обмоток и активной стали машины. Кроме того, существенно увеличивается потребление реактивной мощности. В среднем повышение напряжения на 1 % приводит к росту потребления двигателем реактивной мощности на 3…7 %. Это вызывает снижение коэффициента мощности сетиcos

, что негативно влияет на систему электроснабжения в целом.
Значение коэффициента мощности для энергетики очень важно. В идеале cos

должен быть равным единице. Дело в том, что основными технико-экономическими показателями электрооборудования энергетических систем являются:

номинальное напряжение U
nom
;

номинальный ток I
nom
, который при длительном протекании по проводящим частям установки не вызывает превышения температуры нагрева сверх допустимого значения;

номинальная полная мощность, равная произведению номинального тока и напряжения:
nom
nom
nom
U
I
S


, В

А.
(40)
При коэффициенте мощности cos

0
= 1, номинальных значениях тока
I
nom
и напряжения U
nom
работа генератора электрической энергии характеризуется полным использованием мощности. В этих условиях активная мощность Р, расходуемая на совершение полезной работы, в частности на преобразование электрической энергии в механическую, равна номинальной полной мощности машины:
nom
nom
nom
nom
nom
S
U
I
U
I
P






0
cos

(41)
Активная мощность генератора при I
nom
и U
nom
пропорциональна величине cos

. Снижение cos

посредством электроприемников, получающих питание от данного источника, приводит к уменьшению

величины мощности, расходуемой на электромеханическое преобразование энергии, и не позволяет полностью использовать возможности генератора.
Снижение cos

любого электроприемника приводит к увеличению потребляемого тока. Действительно, если активную мощность и напряжение приемника энергии принять постоянными, а ток при cos

0
= 1 обозначить через I
0
, то из формулы (42) можно получить выражение (43), показывающее, что величина тока электрической установки при работе с cos


1 обратно пропорционально зависит от коэффициента мощности.


cos cos
0 0






U
I
U
I
P
(42)




cos cos
1
cos cos
0 0
0 0
I
I
I
I




(43)
При снижении cos

растут потери и нагрев как электроприемников, так и генераторов, и соединительных проводов линий электропередач.
Покажем это, обозначив через r суммарное сопротивление генератора и соединительных элементов. Суммарная мощность тепловых потерь будет определяться выражениями (44) и (45) в зависимости от коэффициента мощности:
2
I
r
P



– при cos


1;
(44)
2 0
0
I
r
P



– при cos

0
= 1.
(45)
С учетом (43) последнее выражение будет иметь вид:


2 0
2 2
0 2
cos
1
cos
1









P
I
r
I
r
P
(46)
Очевидно, что при снижении коэффициента мощности электроприемников потери на нагрев растут обратно пропорционально величине cos

.
Таким образом, снижение cos

электроприемников является крайне нежелательным явлением. Обеспечение этого параметра на уровне, близком к единице (0,95…1,0), является проблемой для энергетики.
2. Значительное влияние оказывает отклонение напряжения на протекание электротермических процессов. Отрицательное отклонение

напряжения на зажимах неавтоматизированных электрических печей приводит к снижению их мощности, уменьшению температуры нагревательных элементов и увеличению продолжительности технологического цикла, падению производительности печей, а иногда и качества производимой продукции.
3. Влияние отклонения напряжения на работу дуговых печей зависит от выбора параметров их регулирования.

При поддержании постоянными сопротивления и длины дуги мощность печи снижается пропорционально квадрату напряжения.

При поддержании постоянным тока дуги мощность уменьшается пропорционально первой степени напряжения.

При поддержании постоянной мощности печи происходит увеличение потерь мощности в квадратичной зависимости по отношению к снижению напряжения.
Таким образом, во всех случаях налицо негативные последствия, характеризующиеся либо снижением температуры нагрева печи, либо увеличением потерь.
4. В индукционных печах отклонения напряжения способны ухудшать их технологический и энергетический режим работы. При снижении напряжения питания рассматриваемых электротехнологических установок на
8–10 % возникает опасность полного нарушения технологического процесса.
5. Отклонение напряжения также оказывает негативное влияние на электрическую сварку. Снижение напряжения ухудшает качество сварных швов. Повышение напряжения приводит к увеличению потребления реактивной мощности сварочным агрегатом и, следовательно, снижению cos

сети.
6. Отклонение напряжения оказывает существенное отрицательное воздействие на работу осветительных установок. От подведенного напряжения у источников света зависят:


световой поток,

освещенность,

срок службы,

потребляемая мощность,

коэффициент полезного действия.
Особо показательным примером является изменение технико- экономических характеристик ламп накаливания. Для них характерны следующие взаимосвязи:

Повышение напряжения на 1 % сверх номинального значения приводит к увеличению потребления активной мощности приблизительно на 1,5 %. Световой поток при этом возрастает на
3,7 %, а срок службы сокращается 14 %.

Увеличение напряжения на 3 % сверх нормы сокращает срок службы ламп на 30 %.

Повышение напряжения на 5 % выше допустимого предела уменьшает срок их службы в два раза.
Понижение напряжения ниже номинального значения увеличивает срок службы ламп накаливания и уменьшает потребление мощности. Однако одновременно снижаются величина потребляемого тока и светового потока.
Это отрицательно отражается на освещенности.
У газоразрядных и люминесцентных ламп снижение напряжения создает проблемы с их включением. Если отрицательное отклонение напряжения составит 20 или более процентов, то их зажигание становится невозможным.
Срок службы люминесцентных ламп также чувствителен к положительному отклонению напряжения. При повышении напряжения на
10 % выше допустимого значения срок службы сокращается на 20–30 %.
7. Весьма чувствителен к изменению напряжения питающей сети вентильный электропривод. Отклонение напряжения в сети переменного

тока влечет за собой изменение выпрямленного напряжения в цепи постоянного тока и частоты вращения вентильного двигателя.
8. При повышении напряжения из-за роста потребляемого тока растет скорость старения изоляции электрооборудования, что может быть причиной аварийных ситуаций.
9. При положительном отклонении напряжения увеличиваются потери в стали силовых трансформаторов, связанные с напряжением квадратичной зависимости.
Это ведет к повышению температуры стали, трансформаторного масла и негативно сказывается на характеристиках изоляционной системы в целом.
10. При повышении напряжения увеличивается генерация реактивной мощности воздушными линиями электропередачи и батареями статических конденсаторов, что может привести к большим подъемам напряжений в сети и опасности пробоя изоляции электрооборудования.
11. В технологических установках при снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Повышение напряжения снижает срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.
Таким образом, заметные изменения уровней питающего напряжения негативно влияют на технико-экономические показатели работающего электрооборудования.
Небольшие изменения напряжения меняют характеристики элементов сети несущественно. Поэтому, как отмечалось выше, в первой части учебника, существуют ограничения на допустимый диапазон изменений уровней напряжения. Нормируются положительное δU
(+)
и отрицательное отклонения δU
(–)
напряжения в точке передачи электрической энергии, т. е. в месте балансового разграничения оборудования энергосистемы. На данные показатели ГОСТ 32144-2013 устанавливает предельно допустимые диапазоны отклонений, составляющие
10 % от номинального или согласованного напряжения. При превышении

указанных норм технико-экономические показатели работы большинства электроприемников значительно ухудшаются.
Для понимания сути рассмотренных процессов предлагаем самостоятельно провести небольшое виртуальное исследование с использованием находящейся в открытом доступе программы Electronics
Workbench. Моделирование с помощью данного программного продукта является достаточно простым и наглядным. Electronics Workbench содержит необходимые блоки моделирования и комбинацию контрольно- измерительных приборов, по внешнему виду и техническим характеристикам приближенным к их промышленным аналогам.
Посмотрим, как будут изменяться отклонения напряжения в точках присоединения электроприемников при изменении режимов работы сети.
Для исследования выберем простейший вариант схемы в виде разомкнутой системы (рис. 65).
Рис. 65. Структурная схема исследуемой электрической сети: ЭП-1, ЭП-2,
ЭП-3 – первый, второй и третий электроприемники
Компьютерная модель исследуемой сети будет иметь вид, представленный на рис. 66. Линия электропередачи состоит из трех участков, характеризующихся активными сопротивлениями
R1,
R2,
R3 и индуктивностями L1, L2, L3. Электроприемники представляют собой активно-индуктивную нагрузку. Элементы каждого из трех нагрузочных устройств обозначены через R4, R5, R6 и L2, L5, L6 соответственно. Контроль напряжения в точках присоединения нагрузки осуществляется вольтметрами
Линия передачи
Источник питания
ЭП-1
ЭП-2
ЭП-3