Меню

Качество электрической энергии и способы его повышения

Качество электрической энергии и способы его повышения

Качество электрической энергии и способы его повышения

Электроэнергия является товаром передаваемым и потребляемым практически мгновенно. Поэтому к качеству электроэнергии (КЭ) предъявляются повышенные требования, знание истинных параметров КЭ критически важны. Показатели качества электроэнергии представляют собой совокупность напряжения, частоты, форму синусоиды электротока, составляет совместимость этих параметров, характеризующих электромагнитную среду.

Рис №1 Таблица параметров качества электрической энергии

Рис №1 Таблица параметров качества электрической энергии

Большинство явлений, влияющих на качество электрической сети, происходит из-за особенностей совместимости электроприемников и электросети.

Требования к качеству электрической энергии состоят в нормировании показаний величины напряжения.

Параметры величин закреплены в Государственном стандарте качества электрической энергии. Существующие до недавнего времени нормы в ГОСТ 13109 за 1997 год изменены на ГОСТ 32144-2013, определены следующие требования: отклонения в показаниях напряжения для передачи электрической энергии в узлах не должны быть выше 10% от предельной величины напряжения за участок времени в течении 1 недели.

Ущерб при уменьшении качества электрической энергии

Виды ущерба при ухудшении КЭ делится на электромагнитный и технологический.

Электромагнитный ущерб:

  1. Неэффективность генерирующих процессов, большие потери при передаче и использовании энергии.
  2. Снижения времени эксплуатации оборудования, преждевременный его выход из строя, из-за нарушения режимов работы и износа изоляции.
  3. Преждевременный износ и выход из строя средств РЗАиГ.

Технологический ущерб:

  1. Понижение производительности технологических процессов.
  2. Прекращение выполнения производственных работ, влекущее значительные затраты на восстановление.
  3. Выход из строя оборудования.
  4. Брак получаемой продукции.

Примеры порчи электрооборудования при несоответствии параметров качества электроэнергии:

  1. Понижение напряжения на 10% время эксплуатации асинхронного двигателя уменьшается в 2 раза.
  2. Несимметрия напряжения в 2% срок эксплуатации АД снижается на 10% СТД – на 16,2%, силовых трансформаторов на 4%.
  3. Несинусоидальное напряжение влечет увеличение токов утечки в кабельной изоляции на 43%.

Снижение сроков службы оборудования влияет на надежность электроснабжающей системы.

Кто отвечает за качество электрической энергии?

Проблема КЭ очень серьезна, что стала синонимом «электромагнитной безопасности», потому как отвечает за безотказную работу технических средств и выполнение технических процессов, отвечающих за безопасность на транспорте в энергетике, и в других областях хозяйствования, нарушение которых может привести к человеческим жертвам, существенному экономическому ущербу, нанесение вреда окружающей среде.

Источником электромагнитных помех может оказаться сам потребитель, использующий электрическое оборудование с нелинейными характеристиками. Такие устройства используют токи высших гармоник, токи обратной и нулевой последовательности, вызывающие нарушения синусоидальности и симметричности падений. Даже в том случае если сетевая организация может обеспечить абсолютное соблюдение синусоидальности и симметричности напряжения питания, значение напряжение в узле общего присоединения пользователя будет искаженно.

Городские сети являются самыми «грязными» источниками искажений электрической сети и включают:

  1. Статические преобразователи (выпрямители, тиристорные регуляторы напряжения, стабилизаторы и т. д.).
  2. Импульсные источники питания (компьютеры, офисная техника, серверные станции рекламная светодиодная, плазменная, и ЖК-аппаратура).
  3. Газоразрядные осветительные устройства (90% от всех светильников).
  4. Сварочные аппараты (ЖКХ, строительство и т. д.).
  5. Частотный электропривод переменного тока (ЖКХ, большие офисные центры).
  6. Специальное медицинское оборудование.

Важно : Установка интеллектуальных ИБП, особенность ИБП заключается в том, что они могут устранить несколько сетевых помех, это: исчезновение, провалы, всплески, а также высокий и низкий уровень напряжения, переходные процессы, ЭМ- и РЧ-помехи, искажение частоты и синусоидальности, но такое действие, возможно, только при наличии корректора коэффициента мощности и активными фильтрами (кондиционерами) высших гармоник. ИБП являются источниками искажения электрической энергии, которые влияют на соседние потребители, не имеющие в своем составе ИБП.

Электросетевая компания является виновником нарушения качества электрической энергии и ее показателей, в случае приобретения и поставки линейным потребителям, некачественной электроэнергии.

Контроль за качеством электрической энергии в РФ осуществляет РЭС (районные электросети) Они следят за ПКЭ на границах балансовой принадлежности как у потребителей, так и у источников электрической энергии.

Способы повышения качества электрической энергии

Для управления качеством электрической энергии необходимо внедрять в структуру систем энергоснабжения:

  1. УКРМ (устройств компенсации реактивной мощности), для гарантированной высокопропускной способности электрической сети в обычном и послеаварийном режиме.
  2. Внедрение в работу силовых трансформаторов с наличием РПН (регулировка под нагрузкой), устройство способно регулировать уровень напряжения в сети при его падении при увеличении нагрузки, или при высоком уровне напряжения, без вывода трансформатора в ремонт.
  3. Применение в сети синхронных компенсаторов, рекомендуется их установка на силовых подстанциях в зависимости от баланса реактивной мощности в рассматриваемом узле.
  4. При напряжении до 1000 В и значениях мощности около 100кВт наиболее выгодно использовать асинхронные двигатели, более 300 кВт – рекомендуется применять синхронные машины, при величине напряжении 6 — 10 кВ– асинхронные машины, свыше 400 кВт – синхронные. Так как синхронные двигатели являются источниками реактивной энергии, целесообразно подключение конденсаторных батарей.
  5. Конденсаторных батарей (БСК) совместно с фильтрокомпенсирующими устройствами.
  6. Использование в сети линейных регуляторов или последовательных трансформаторов для регулировки напряжения в отдельных линиях и вторичных обмотках автотрансформаторов.
  7. Применение автотрансформаторов связи сетей различных номинальных напряжений с РПН, расположенным на линейном конце обмотки среднего напряжения, им можно регулировать под нагрузкой коэффициент трансформации.
  8. Для обеспечения КЭ регуляторы РПН должны работать автоматически, характеризуются устойчивостью работы, зоной нечувствительности, точностью регулирования и выдержкой времени.

Компенсирующие устройства помогают решить такие задачи как:

  1. Оптимизация перетоков индуктивной (реактивной) мощности в высоковольтных сетях.
  2. Сведение к минимуму наличия потерь мощности и энергии.
  3. Поддержание статической и динамической устойчивости в узлах повышенной нагрузки.

Контроль качества электрической энергии

Для учета ПКЭ на промышленных предприятиях применяется система АИИС-ПКЭ, которая позволяет привести качество электроэнергии у жестким нормам по ГОСТу, что способствует сокращению срока окупаемости системы до 1-1,5 лет.

АИИС-ПКЭ может быть встроена в систему АИИС КУЭ или создает принципиально новую систему АСУТП

Рис №2 Архитектура построения систем АСУТП в энергетике

Система производит учет электроэнергии и оперативное управление, осуществляет операции по контролю качества электроэнергии, выполняет функции релейной защиты и автоматики, производит осциллографирование аварийных и переходных процессов.

Источник

Способ увеличения показателей качества электроэнергии на предприятиях и распределительных сетях

Рубрика: 5. Энергетика

Опубликовано в

Дата публикации: 08.06.2015

Статья просмотрена: 2438 раз

Библиографическое описание:

Магомедов, А. М. Способ увеличения показателей качества электроэнергии на предприятиях и распределительных сетях / А. М. Магомедов, Р. К. Герейханов. — Текст : непосредственный // Технические науки: проблемы и перспективы : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2015 г.). — Санкт-Петербург : Свое издательство, 2015. — С. 62-67. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/126/8337/ (дата обращения: 28.06.2021).

Недостатки энергетической системы России связаны с малой пропускной способностью межсистемных линий передач, неустойчивостью величины напряжений в периоды уменьшения нагрузок, недостаточной степенью устойчивости линий электропередач и потерями в сетях из-за неоптимального распределения мощностей. Известно, что любые отклонения в сети электроснабжения, приводящие к изменению электрических параметров, регламентированных в ГОСТ 721─77 [1], ухудшают качество электроэнергии. Это может привести к сбоям в работе электрического оборудования и даже к его повреждениям. Для повышения качества электроэнергии необходимо ориентироваться на три основные составляющие, а именно, на бесперебойную передачу электроэнергии, распределение электроэнергии по устойчивым электрическим сетям и производство энергии высокого качества.

При передаче энергии в основном возникают следующие проблемы, связанные с: [4]

— устойчивостью передачи, в значительной степени связанной с величиной транспортного угла;

— устойчивостью контроля напряжений и ростом напряжения при отсутствии нагрузки;

— явлениями резонанса в сети, возникающими между различными элементами сети, например, фильтрами;

— явлением феррорезонанса, обусловленным нелинейными колебаниями, возникающими при насыщении силовых или измерительных трансформаторов;

— перенапряжениями при коммутации линий электропередач, возникающих вследствие подключения или отключения элементов сети, фильтров, конденсаторных батарей и трансформаторов;

— механическими повреждениями в линиях электропередач типа «фаза/земля».

Для решения этих проблем существуют известные методы со своими достоинствами и недостатками, но все эти методы не решают проблемы в полной мере. Поэтому, исследования в этом направлении представляются современными и актуальными.

Улучшение характеристик качества электроэнергии возможно как при ее распределении, так и непосредственно у потребителей. Для повышения качественных параметров электроэнергии на предприятиях существуют различные способы, такие как, использование конденсаторных батарей, синхронных двигателей и вентильных преобразователей.

Конденсаторные батареи используются как основное средство для компенсации реактивной мощности. Они применяются в качестве дополнительного источника реактивной мощности для обеспечения потребителя реактивной мощностью сверх того количества, которое возможно и целесообразно получить от энергосистемы. Их достоинствами являются низкая стоимость и малые собственные потери активной мощности. К недостаткам относят наличие остаточного заряда, отсутствие плавного регулирования и влияние на работу конденсаторных установок высших гармоник.

Основное преимущество синхронных машин — это возможность регулирования величины реактивной мощности. Они выполняются для работы с опережающим коэффициентом мощности, что частично компенсирует реактивную мощность в питающей сети. Их недостатки — сложность пусковой аппаратуры и высокая стоимость [4].

Вентильные преобразователи представляют собой устройства для преобразования напряжения и частоты электрического тока с помощью электронных или ионных вентилей [5]. Достоинства вентильных преобразователей следующие: отсутствие узлов, требующих обслуживания; большой допустимый пусковой момент; высокое быстродействие и значительный диапазон регулировок по частоте вращения электродвигателей. Их недостатки — высокая стоимость, массогабаритные показатели и не синусоидальность тока.

Читайте также:  2020 год – еще один потерянный год для мирового автомобильного рынка

Проведенный анализ способов компенсации реактивной энергии показал, что все они, наряду со своими достоинствами обладают недостатками. Совместное же их применение позволяет частично устранить недостатки, но при этом возрастает стоимость таких комплексов. Однако системы компенсации реактивной мощности находят применение в распределительных сетях энергоснабжения с целью повышения качества передачи электроэнергии. Среди известных систем следует отметить устройства и технологии управления линиями переменного тока (FACTS).

FACTS [2] системы преобразуют функцию электрической сети из существующей «пассивной» в «активную». Важнейшее свойство FACTS систем — их способность поглощать или возвращать реактивную мощность [3].

К техническим средствам реализации относят статические преобразователи напряжения, конденсаторные батареи, электромашиновентильные комплексы (машины переменного тока со статическими преобразователями частоты) и микропроцессорные средства управления устройствами.

Существуют различные способы реализации FACTS систем:

1. Поперечная компенсация — STATCOM (STATic synchronous COMpensator — Статический синхронный компенсатор). Компенсаторы STATCOM (рис. 1) способны поглощать и возвращать реактивную мощность, обеспечивают возможность поглощения реактивной мощности при отсутствии нагрузки в сети [3]. Когда напряжение в точке подключения остается постоянным, компенсатор STATCOM ведет себя как компенсатор SVC [6].

Рис. 1. Схема STATCOM

Однако в режиме ограничения мощности компенсатор STATCOM становится источником тока, тогда как компенсатор SVC приобретает свойства конденсатора. Стандартными функциями этих компенсаторов является регулирование напряжения путем поглощения или возврата реактивной мощности и подавление подсинхронных колебаний. Недостаток STATCOM в том, что их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.

2. Продольная компенсация — SSSC (Static Synchronous Series Compensator — Статический синхронный продольный компенсатор). В системах SSSC исключается недостаток систем TCSC (конденсаторная батарея с тиристорным управлением), который состоял в невозможности плавного перехода от емкостного режима к индуктивному. SSSC (рис. 2) может возвращать только реактивную мощность, за исключением тех случаев, когда контур постоянного тока получает подпитку от накопителя энергии. Их задачей является поддержка сети в рабочем состоянии при кратковременных возмущениях.

Рис. 2. Схема SSSC

3. Универсальная компенсация — UPFC (Unified Power Flow Controller — унифицированная система управления энергоподачами).

Мощности систем STATCOM и других типов SSSC настолько высоки, что использование их без применения накопителей энергии достаточной емкости затруднительно. Если такая возможность отсутствует, мы должны быть в состоянии управлять величиной транспортного угла, как в случае использования фазосдвигающего трансформатора [7], но со значительно более высоким быстродействием.

Система UPFC воплощает эту мечту в реальность без использования какого-либо накопителя энергии. Система UPFC представляет собой не что иное, как объединение систем STATCOM и SSSC (рис. 3).

Рис. 3. Схема установки UPFC

Система позволяет выполнять следующие функции:

— непосредственное управление напряжением. Сложение или вычитание напряжений, фазированных узлом поперечной компенсации. Эти действия производятся над реактивной мощностью;

— поперечный компенсатор: путем управления поперечным преобразователем с переводом последнего в режим поглощения или возврата реактивной мощности. Напряжение должно поддерживаться постоянным;

— продольный компенсатор: путем добавления последовательного напряжения со сдвигом на 90o по отношению к току связи. При этом необходимо управлять выходным напряжением и реактивной мощностью на выходе;

— одновременное использование всех функций — число степеней свободы системы позволяет это делать, когда необходимо управлять и реактивной, и активной мощностью [3].

Рассмотренные выше технологии являются относительно дорогостоящими, требуют обслуживания высококвалифицированными специалистами и используются только для установок большой мощности. А при создании автоматических систем стабилизации напряжения энергетических установок малой мощности приходится ориентироваться на классические системы компенсаторов, которым присущи недостатки, приведенные выше.

Для выхода из сложившегося положения предполагается решение, сущность которого заключается в следующем.

На предприятиях имеются различные устройства и установки, использование которых не только сказывается на потерях электроэнергии, но и вносит различного рода помехи в сеть энергоснабжения. Это помехи такого рода, как флуктуации (резкое изменение формы переменного напряжения на частотах 30–35Гц), искажения синусоидальности питающего напряжения, гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создающие дополнительные потери в трансформаторах. Существует необходимость контроля величины напряжений и сдвига фаз с последующим автоматическим восстановлением. Разрешение этих задач представляется возможным посредством систем контроля и управления параметрами электрической сети, схема структурная, которая приведена на рис.4.

Рис. 4. Система контроля и управления параметрами электрической сети

Данная система содержит входной буфер, предназначенный для согласования электрических цепей с электронной частью системы АЦП, обеспечивающего функции преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Микропроцессор выполняет функции обработки информации, поступающей с АЦП с последующим управлением внешней периферией. Выходной буферный каскад обеспечивает согласование микропроцессора с силовыми блоками управления. Силовые блоки коммутации включают необходимые блоки компенсации реактивной мощности в силовые электрические линии.

Принцип работы системы заключается в следующем. Контроль электрических параметров отдельно по каждой фазе производится с помощью датчиков тока и многоканального АЦП. В каждую из фаз трехфазной сети электроснабжения включены три трансформатора тока, со вторичных обмоток которых можно получить нормализованный аналоговый сигнал с гальванической развязкой от электрической сети. Аналоговый сигнал с датчиков тока подается на входной буфер, роль которого заключается в согласовании уровней напряжения, подаваемого на вход АЦП. В зависимости от используемых датчиков, входной буфер может выполнять функции, как усиления амплитуд сигналов, так и уменьшения. АЦП работает в режиме мультиплексирования входов с последующей передачей информации непосредственно в микропроцессор, который подвергает анализу и проводит обработку информации по соответствующим алгоритмам с целью выявления отклонения напряжений в сети от границ установленного поля допуска. При фиксировании выхода за пределы границ поля допуска принимается решение о подключении вспомогательных устройств компенсации электрической энергии.

Построение такого рода системы становится возможным благодаря микропроцессорным устройствам и электронным переключателям типа IGBT, способных коммутировать цепи больших мощностей. Микропроцессор, совместно АЦП, и реализованные алгоритмы, анализирующие различные составляющие энергосети, позволяют контролировать параметры каждой фазы и при обнаружении отклонений от номинального значения электрических параметров оказывать требуемое противодействие посредством имеющихся конденсаторных батарей, синхронных машин и вентильных преобразователей. Предусмотрена возможность покаскадного включения конденсаторных батарей, плавного пуска синхронных двигателей и т. д., для эффективного подавления нежелательных возмущений.

При авариях или переходе приборов в нерабочее состояние достаточно много времени уходит на поиск неисправностей и причин их возникновения. Для частичного устранения этой проблемы в данной системе предусмотрена запись событий в привязке ко времени, о подключенных нагрузках и основных параметрах электрической сети. Это позволяет выявлять устройства с более высоким потреблением мощности, получать информацию о времени поломки и текущие на тот момент показатели энергосети, а также выявлять устройства, оказывающие паразитное влияние на электрическую сеть.

Такой подход построения системы позволяет решать круг задач по повышению качества электроэнергии непосредственно на предприятиях и иных объектах потребления электроэнергии. С экономической стороны стоимость такой системы будет превышать стоимость систем, основанных лишь на конденсаторных батареях и синхронных машинах, но ниже стоимости FACTS систем. Снижение потерь электроэнергии и способствование сохранению оборудования в рабочем состоянии положительно сказываются на сроках окупаемости системы.

Источник



Повышение качества электроэнергии: методы, способы, причины

Содержание

Не рассматривая неизбежные переходные процессы, приведенные на рис. 10.7, отметим, что длительное повышение или понижение напряжения питающей сети приводит к сокращению срока службы двигателей и источников питания. Понижение напряжения менее желательно из-за значительного роста тока потребления, нарушения и выхода из строя электроники и вычислительной техники. Отрицательное воздействие оказывает полное пропадание питающего напряжения. Кратковременные всплески и провалы напряжения вызываются переходными процессами в электрической системе, сопровождаясь высокочастотными помехами, приводящими к сбою электронной аппаратуры. Всплеск напряжения может привести к выходу из строя потребителя, если коммутационная и особенно защитная аппаратура не удовлетворяет требованиям по быстродействию и селективности.

Что влияет на качество электроснабжения

Негативное влияние на силовое электрооборудование и измерительные приборы оказывают длительные искажения кривой напряжения, особенно искажения напряжения, имеющие характер «зазубрин», вызванные коммутацией силовых тиристоров и диодов в мощных источниках искажения. Наиболее опасными являются искажения кривой напряжения жения через ноль. Эти искажения могут вызвать дополнительные коммутации диодов маломощных источников питания, ускорение старения конденсаторов, сбой компьютеров и принтеров и другой аппаратуры.

Проблема качества в отечественных электрических сетях очень специфична. Во всех промышленно развитых странах подключение мощных нелинейных нагрузок, искажающих форму кривых тока и напряжения электрической сети, допускается только при соблюдении требований по обеспечению качества электроэнергии и при наличии соответствующих корректирующих устройств. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3…5% от мощности всей нагрузки энергокомпании. Иная картина наблюдается в нашей стране, где такие потребители подключаются достаточно хаотично.

Выдача технических условий на присоединение во многом формальна из-за отсутствия четких методик и массовых сертифицированных приборов, фиксирующих «кто виноват». При этом промышленностью практически не выпускались необходимые фильтрокомпенсирующие, симметрирующие, многофункциональные оптимизирующие устройства и др.

В результате электрические сети России оказались перенасыщенными искажающим оборудованием.

В отдельных регионах сформировались уникальные по своей мощности и степени искаженности кривых тока и напряжения комплексы электрических сетей энергосистем и распределительных сетей потребителей, что существенно обострило проблему электроснабжения потребителей качественной электроэнергией.

Читайте также:  Холодная система нанесения водного клея

Для определения соответствия значений измеряемых показателей качества электроэнергии нормам стандарта, за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения, коэффициента временного перенапряжения, устанавливается минимальный интервал времени измерений, равный 24 ч, соответствующий расчетному периоду. Общая продолжительность измерений ПКЭ должна быть выбрана с учетом обязательного включения характерных для измеряемых ПКЭ рабочих и выходных дней. Рекомендуемая общая продолжительность измерения составляет 7 сут. Сопоставление ПКЭ с нормами стандарта необходимо производить за каждые сутки общей продолжительности измерений отдельно для каждого ПКЭ. Кроме того, измерения ПКЭ следует проводить по требованию энергоснабжающей организации или потребителя, а также до и после подключения нового потребителя.

Методов повышения качества электроэнергии

Существуют три основные группы методов повышения качества электроэнергии:

  1. рационализация электроснабжения, заключающаяся, в частности, в повышении мощности сети, в питании нелинейных потребителей повышенным напряжением;
  2. улучшение структуры 1УР, например обеспечение номинальной загрузки двигателей, использование многофазных схем выпрямления, включение в состав потребителя корректирующих устройств;
  3. использование устройств коррекции качества — регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии или связанных с ними параметров потребляемой мощности.

Экономически наиболее предпочтительной является третья группа, так как изменение структуры сети и потребителей ведет к значительным затратам.

Проектирование же новых сетей потребителей необходимо вести с учетом современных требований к качеству, ориентируясь на разработку регуляторов качества электроэнергии различных типов. Целенаправленное воздействие на изменение одного вида искажений вызывает косвенное воздействие на другие виды искажений. Например, компенсация колебаний напряжениявызывает снижение уровней гармоник и приводит к изменению отклонений напряжения.

Отклонения напряжения являются медленными и вызываются или изменением уровня напряжения в центре питания, или потерями напряжения в элементах сети (рис. 10.8). требования по отклонениям напряжения для последних электроприемников не выполняются изза значительных потерь напряжения в кабельной линии и на шинах питания. суммарные потери напряжения л /ц.п, %, определяют по выражению:

Анализируя эпюру (см. рис. 10.8), можно сделать вывод, что обеспечить требования по отклонениям напряжения можно за счет регулирования напряжения в центре питания (гпп, рп) и путем снижения потерь напряжения в элементах сети.

Регулирование реализуется с помощью изменения коэффициента трансформации питающего трансформатора. для этого трансформаторы оснащаются средствами регулирования напряжения под нагрузкой (рпн) или имеют возможность переключения отпаек регулировочных ответвлений без возбуждения (пбв), т. е. с отключением их от сети на время переключения ответвлений. трансформаторы с рпн позволяют регулировать напряжение в диапазоне от ±10 до ±15 % с дискретностью 1,25…2,50%. трансформаторы с пбв обычно имеют регулировочный диапазон ±5 %.

Снижение потерь напряжения в питающих линиях или кабелях может быть реализовано за счет снижения активного и (или) реактивного сопротивления. Снижение сопротивления достигается путем увеличения сечения проводов или применением устройств продольной компенсации (УПК).

Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему ее реактивное сопротивление уменьшается: Х’л= XL ХC

Из выражения (10.33) следует, что для снижения bU, необходимо уменьшить Хкз или набросы реактивной мощности нагрузки QH, для снижения которых должны применяться быстродействующие источники реактивной мощности, способные обеспечить скорости набросов реактивной мощности, соизмеримые с характером изменения нагрузки. При этом выполняется условие

Подключение ИРМ приводит к снижению амплитуд колебаний результирующей реактивной мощности, но увеличивает их эквивалентную частоту. При недостаточном быстродействии применение ИРМ может привести даже к ухудшению положения.

Для снижения влияния резкопеременной нагрузки на чувствительные электроприемники применяют способ разделения нагрузок, при котором наиболее часто применяют сдвоенные реакторы, трансформаторы трехобмоточные, с расщепленной обмоткой или питают нагрузки от различных трансформаторов. Эффект использования сдвоенного реактора основан на том, что коэффициент взаимоиндукции между обмотками сдвоенного реактора не равен нулю, а падение напряжения, уменьшающееся на 50…60 % за счет магнитной связи обмоток реактора, в каждой секции определяется по формулам:

где Км — коэффициент взаимоиндукции между обмотками секций реактора; XL — индуктивное сопротивление секции обмотки реактора.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой позволяют подключать к одной ветви обмотки низшего напряжения резкопеременную нагрузку (источник искажений), а к другой — стабильную. Связь между изменениями напряжения в обмотках определяется по выражению

Снижение несимметрии напряжении достигается уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

Основным источником несимметрии являются однофазные нагрузки. При соотношении между мощностью короткого замыкания в узле сети SK 3 к мощности однофазной нагрузки больше 50 коэффициент обратной последовательности обычно не превышает 2 %, что соответствует требованиям ГОСТ.

Снизить несимметрию можно, увеличив SK3 на зажимах нагрузки. Это достигается, например, подключением мощных однофазных нагрузок через собственный трансформатор на шины 110 — 220 кВ. Снижение систематической несимметрии в сетях низкого напряжения осуществляется рациональным распределением однофазных нагрузок между фазами с таким расчетом, чтобы сопротивления этих нагрузок были примерно равны между собой. Если несимметрию напряжения не удается снизить с помощью схемных решений, то применяются специальные устройства.

В качестве таких симметрирующих устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис. 10.9, а) или специальные схемы симметрирования (рис. 10.9, б) однофазных нагрузок.

Если несимметрия меняется по вероятностному закону, тодля ее снижения применяются автоматические симметрирующие устройства, в схемах которых конденсаторы и реакторы набираются из нескольких небольших параллельных групп и подключаются в зависимости от изменения тока или напряжения обратной последовательности (недостаток — дополнительные потери в реакторах). Ряд устройств основан на базе применения трансформаторов, например трансформаторов с вращающимся магнитным полем, представляющим собой несимметричную нагрузку, или трансформаторов, позволяющих осуществить пофазное регулирование напряжения.

Как уменьшить несинусоидальность напряжения

Снижение несинусоидального напряжения достигается:

  • схемными решениями: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин; рассредоточение нагрузок по различным узлам питания с подключением параллельно им электродвигателей; группировка преобразователей по схеме умножения фаз; подключение нагрузки к системе с большей мощностью SK 3;
  • использованием фильтровых устройств: включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров; включение фильтрокомпенсирующих устройств; применение фильтросимметрирующих устройств; применение ИРМ, содержащих фильтрокомпенсирутощие устройства;
  • применением специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник: использование «ненасыщающихся» трансформаторов; применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Развитие современной базы силовой электроники и методов высокочастотной модуляции привело к созданию устройств, улучшающих качество электроэнергии — активных фильтров, подразделяемых на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Это привело к получению четырех базовых схем (рис. 10.10).

В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока, используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения, используется емкость. Схема замещения силового резонансного фильтра приведена на рис. 10.11.

Сопротивление фильтра Z на частоте со равно При XL = Хс на частоте со наступает резонанс напряжений, означающий, что сопротивление фильтра для гармонической составляющей напряжения с частотой со равно 0.

При этом гармонические составляющие с частотой со будут поглощаться фильтром и не будут проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых v = 3, 5, 7,… Уровни гармоник с таким порядковым номером обычно убывают с увеличением частоты. Поэтому на практике применяют цепочки из параллельно включенных фильтров, настроенных на 3, 5, 7 и 11ю гармоники. Такие устройства называются узкополосными резонансными фильтрами. Если XL и Хс — сопротивление реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, то, используя выражение (10.38), получаем

Фильтр, который помимо фильтрации гармоники будет генерировать реактивную мощность и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, называется фильтрокомпенсирующим (ФКУ).

Если устройство помимо фильтрации высших гармоник выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется филыросимметрирующим (ФСУ). Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное напряжение сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов*, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Таким образом, устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей (несинусоидальность, несимметрия, отклонения напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (рис. 10.12). Целесообразность их разработки заключается в том, что резкопеременные нагрузки типа ДСП вызывают одновременное искажение напряжения по ряду показателей, что и потребовало комплексного решения проблемы.

К категории таких устройств относятся быстродействукшше статические источники реактивной мощности. По принципу регулирования реактивной мощности их можно подразделить на ИРМ прямой и косвенной компенсации. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

Читайте также:  Организации и предприятия России Вентиляционное оборудование

При разработке стратегии повышения качества электроэнергии в электрических сетях и обеспечения условий электромагнитной совместимости следует учитывать, что для исправления положения необходимы значительные материальные ресурсы и достаточно продолжительный период времени. Разработка всего комплекса мероприятий требует технической и экономической оценки последствий пониженного качества, что затруднено в силу следующих обстоятельств:

  • воздействие качества электроэнергии на качество и количество выпускаемой продукции, а также на сроки службы электроприемников носит интегральный характер; изменения большинства показателей качества во времени являются стохастическими в силу их за висимости от режимов работы большого числа электроприемников;
  • последствия пониженного качества электроэнергии часто проявляются в окончательном продукте, на качественные и количественные характеристики которого воздействуют и другие факторы;
  • отсутствие данных отчетного характера, позволяющих установить причинноследственные связи между реальными показателями качества, с одной стороны, и работой электрооборудования и качеством выпускаемой продукции — с другой;
  • слабая оснащенность отечественных электрических сетей средствами измерения показателей качества электроэнергии.

Тем не менее для обеспечения требуемых ГОСТ 13109 — 97 показателей необходимо выполнение комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на установление причин и источников нарушений и заключающихся в индивидуальном и централизованном подавлении помех с обеспечением повышенной помехозащищенности чувствительных к искажениям электроприемников.

Источник

Пассивные и активные способы повышения качества электроэнергии на местах ее непосредственного потребления

Права и ответственность за качество электроэнергии в России. Пассивные способы повышения качества электроэнергии на местах ее непосредственного потребления. Компенсация реактивной мощности в распределительных сетях на стороне потребителя электроэнергии.

Россия бесспорно страна парадоксов, и один из наглядных тому примеров — существующая расстановка акцентов в правах и обязанностях за качество электроэнергии во всей цепочке заинтересованных в этом качестве субъектов от владельцев генерирующего оборудования до конечного потребителя, причем не только крупного промышленного или иного объекта, а владельца конкретной локальной сети электроснабжения квартиры или частного дома с пакетом электроприемников бытового назначения и осветительными приборами.

Defacto свою «лепту» в провалы напряжения/перенапряжение, засорение сети гармониками и т.д. вносят все, начиная с генерирующих компаний и гарантированных поставщиков электроэнергии, использующих для генерации и транспорта далеко не самое современное/прогрессивное оборудование, и заканчивая обычной российской семьей, навешивающей на «древнюю» в техническом состоянии сеть кондиционеры, трансформаторы, выпрямители и пр. нагрузки, потребляющие реактивную мощность и генерирующие гармонические искажения. Наряду с этим каждый конечный потребитель имеет право, пусть и формальное требовать у поставщика и/или электросетевой организации электроэнергию стандартизированного качества, однако на практике не несет ответственности и ничего не хочет делать для того, чтобы нивелировать или хотя бы частично демпфировать негативное влияние на качество электроэнергии, оказываемое его нагрузками и его участком распределительной сети в целом, который dejure находится в его собственности (или границах балансовой принадлежности для юридических лиц РФ). Причем здесь не стоит умалять значение негатива потребителей городских/сельских распределительных сетей, присоединяемых к энергосистеме по техническим условиям и договорам с электросетевыми организациями/поставщиками электроэнергии – в совокупности физические лица-потребители городских и сельских распределительных сетей генерируют до половины потребности в реактивной мощности и гармонических возмущений всех крупных потребителей электроэнергии – юридических лиц РФ. Но если последние в той или иной мере контролируются электросетевыми организациями и стимулируются к повышению качества электроэнергии «на местах», то весь масштабный сегмент потребителей-физических лиц пока не регулируемый в аспекте контроля и влияния на качество электроэнергии, и очевидно останется таким в ближайшей и долгосрочной перспективе.

Пассивные способы повышения качества электроэнергии на местах ее непосредственного потребления

На текущий момент бесспорным является факт определяющего влияния перетоков реактивной мощности в сетях разного напряжения на качество поставляемой потребителю электроэнергии, причем ответственными за перетоки реактивной мощности являются не только и не столько трансформаторы всех ступеней трансформации, линии электропередачи, асинхронные электроприводы электростанций (до 35%, 7% и 8% соответственно от общих потерь реактивной мощности), сколько потребительские нагрузки — насыщаемые устройства, силовое электронное оборудование, дуговое оборудование, линии ЛЭП потребительских сетей, подключаемые к шинам 6-10 кВ и т.д. Львиная доля потребности в реактивной мощности по-прежнему компенсируется централизовано с помощью генерирующего оборудования электростанций, ЛЭП с напряжением выше 110 кВ и средств компенсации реактивной мощности на понижающих подстанциях сетей гарантированных поставщиков электроэнергии и электросетевых организаций. Вместе с тем, такой подход к обеспечению потребности в реактивной мощности вряд ли можно считать целесообразным, поскольку:

  • значительные объемы транспорта реактивной мощности обуславливают потери активной мощности, пропорциональные ее квадрату
  • провалы напряжения в распределительных сетях увеличиваются сообразно уменьшению сетевого напряжения от подстанций 110-220 кВ до 6-10/0.4 кВ, причем величина потерь в сети с активным сопротивлением R и реактивным сопротивлением Х

— потери напряжения, вызванные транспортом активной мощности, а — потери напряжения, обусловленные перетоками реактивной мощности;

  • транспорт реактивной мощности при передаче условно стабильных объемов активной мощности уменьшает пропускную способность сетей и трансформаторных подстанций, а значит требует введения дополнительных технических резервов для нивелирования рисков перегрузки сетей/подстанций и выхода их из строя. Технически грамотно и экономически целесообразно решить проблему дефицита реактивной мощности можно и нужно компенсацией реактивной мощности на местах ее непосредственного потребления, однако далеко не все потребители – юридические лица и практически никто из потребителей – физических лиц компенсируют востребованную их нагрузками реактивную мощность на местах, или хотя бы регулируют потребность с помощью пассивных способов, не требующих применения устройств компенсации реактивной мощности.
  • Сегодня к оптимальному пакету пассивных (естественных) способов регулирования потребности в реактивной мощности потребителей-юридических лиц для разгрузки распределительной сети по реактивным токам можно отнести мероприятия по:

    • оптимизации технологических и производственно-технологических процессов, направленные на качественное улучшение энергетического режима используемого оборудования;
    • оптимизации способа подключения статорных обмоток асинхронных двигателей, например, с помощью переключения с треугольника на звезду всех двигателей предприятия, загруженных в рабочем режиме менее, чем на 40%;
    • нивелированию или существенному сокращению времени работы асинхронных двигателей на холостом ходу (без нагрузки), т.е. в период, когда из распределительной сети потребляется только реактивная мощность;
    • модернизацию и/или отключение трансформаторов (у нагрузок и/или на распределительных устройствах), которые загружены менее, чем на треть своей номинальной мощности;
    • замене (где это технически и технологически возможно) асинхронных электродвигателей синхронными электродвигателями, а также переход на синхронные двигатели в действующих или проектируемых установках электропривода;
    • использованию тиристорного управления регулированием напряжения на электродвигателях;
    • модернизации/замене преобразователей на устройства с большим числом фаз выпрямления, а также переходу напоочередное и несимметричное управления режимом работы;
    • внедрению систем с искусственной коммутацией вентилей и/или с ограниченным содержанием токов высших гармоник в питающей сети и т.д. и т.п. Потребители реактивной мощности – физические лица для снижения объема перетоков реактивной мощности по своему сегменту и распределительной сети в целом могут обеспечить:
    • переход на энергоприемники, сертифицированные по энергосбережению и/или энергоэффективности, что позволит снизить потребление из сети полной мощности и реактивной мощности, как ее составляющей;
    • поочередное (не одновременное) включение нагрузок, потребляющих реактивную мощность для снижения объемов востребованной реактивной мощности и величины мгновенных реактивных токов.

    Компенсация реактивной мощности в распределительных сетях на стороне потребителя электроэнергии

    Вне сомнения лучшим способом компенсации реактивной мощности с помощью специальных устройств (см. более детально об установках компенсации реактивной мощности КРМ, УКРМ здесь) остается индивидуальная компенсация, с размещением емкостной нагрузки непосредственно у энергоприемника. Вместе с тем, для подавляющего большинства потребителей электроэнергии индивидуальная компенсация неприемлема, как из-за значительной суммарной стоимости устройств, так и вследствие возникновения технических и организационных аспектов– индивидуальные средства компенсации реактивной мощности требуют места для размещения, формирования дополнительных связей с нагрузкой, адаптации в сегмент сети и распределительную сеть в целом, технического обслуживания и т.д.

    Недостаточно эффективной в аспекте стабилизации уровня сетевого напряжения и снижения степени засорения сети токами высших гармоник является централизованная компенсация реактивной мощности, особенно в структурах с заметно выделенным сегментом потребительской сети административного управления, где компьютеры и периферийные устройства становятся ключевыми генераторами гармонических искажений, а также технологическими линиями, включающими силовое электронное оборудование и насыщаемые устройства. Поэтому практически для всех предприятий с большими потребностями в реактивной мощности оптимальным становится гибридный способ компенсации реактивной мощности, в котором на основе энергоаудита всей распределительной сети и ее отдельных участковизбирательно используются индивидуальный и групповой способ компенсации, а недостатки выбранной схемы и/или динамики востребованности в реактивной мощности могут полностью или почти полностью нивелироваться с помощью средств централизованной компенсации реактивной мощности, устанавливаемых на распределительной понижающей подстанции или на шинах потребителя, или в балансовой принадлежности электросетевой организации.

    Источник