Электрические сети

1. Общие сведения об электрических сетях

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, включающая в себя подстанции, распределительные пункты, воздушные (ВЛ) и кабельные линии (КЛ) электропередачи, токопроводы.

По функциональному назначению сети подразделяются на системообразующие, питающие и распределительные.

Системообразующими называются сети, предназначенные для объединения электростанций и энергосистем на параллельную работу (сети 330 кВ и выше).

Питающие – сети, в которых электроэнергия передается от подстанций системообразующей сети или от шин 110…220 кВ крупных электростанций к центрам питания распределительных сетей на большие расстояния.

Распределительными называются сети, предназначенные для распределения электроэнергии между электроприемниками. К ним относятся городские и сельские электрические сети, а также сети промышленных предприятий. Центры питания таких сетей, как правило, расположены на небольшом расстоянии от большого количества электроприемников.

2. Номинальные напряжения электрических сетей

Для сетей переменного тока стандартный ряд номинальных напряжений: 220/127, 380/220, 660/380 В; 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.

У напряжений до 1000 В в числителе указано линейное, а в знаменателе – фазное напряжение. Выше 1000 В указывается только линейное напряжение.

Системы напряжений 220/127 В, 3 кВ и 150 кВ при проектировании на перспективу не используются. Система 380/220 В применяется для питания большинства промышленных и бытовых потребителей. Напряжение 660/380 В используется в промышленности и при разработке полезных ископаемых.

Классы напряжений 6 и 10 кВ применяются для распределения электроэнергии на промышленных предприятиях, а также в сельскохозяйственных и городских сетях. Преимущественно используется напряжение 10 кВ. Напряжение 20 кВ имеет малое распространение; 35, 110 и 220 кВ – напряжения питающих сетей. Напряжения 330, 500, 750 и 1150 кВ используются для создания системообразующих сетей и для передачи электроэнергии на большие расстояния. Напряжения 330, 500 и 750 кВ применяются также для выдачи мощности на крупных ЭС.

В зависимости от номинального напряжения все сети подразделяются на сети низкого напряжения (до 1000 В), сети высокого напряжения (от 1000 В до 220 кВ включительно) и сети сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше).

При увеличении номинального напряжения сети возрастает стоимость электрооборудования. С другой стороны, при снижении напряжения увеличиваются потери мощности и энергии, т. к. возрастает ток при той же передаваемой мощности.

Напряжение, при котором затраты имеют минимум, называется рациональным. Рациональное напряжение зависит от длины линий и передаваемой мощности.

2. Сведения о конструкциях линий электропередач

По конфигурации электрические сети подразделяются на замкнутые и разомкнутые. Примеры сетей различной конфигурации показаны на рис. 1.

Рис. 1. Примеры сетей различной конфигурации: а – разомкнутая сеть; б – простая замкнутая сеть; в – сложнозамкнутая сеть

Разомкнутой называется сеть, которая не содержит замкнутых контуров (за исключением контуров, образуемых разными фазами, а также фазой и нулем). В таких сетях потребители могут получать питание только с одной стороны.

Замкнутой называется сеть, содержащая хотя бы один контур. При этом часть потребителей получает питание с двух и более сторон. Эти сети, в свою очередь, подразделяются на простые замкнутые, которые содержат только один контур, и сложнозамкнутые, содержащие два и более контура.

Воздушные линии включают в себя следующие конструктивные элементы: провода, тросы, опоры, изоляторы и линейную арматуру.

Провода предназначены для передачи электроэнергии. Они могут быть изолированными (для ВЛЗ и ВЛИ) и неизолированными.

Тросы воздушных линий располагаются в верхней части опор и служат для защиты линии от прямых ударов молнии.

Опоры ВЛ предназначены для поддержания проводов и тросов. Опоры подразделяют на анкерные, промежуточные, прямые и угловые. Также существуют специальные виды опор: переходные, транспозиционные и ответвительные. Опоры изготавливают из дерева (до 110 кВ), металлическими (35 кВ и выше) и железобетонными (до 500 кВ).

Изоляторы предназначены для крепления проводов к опорам и для изоляции проводов от опор. Изоляторы подразделяются на штыревые (используются до 35 кВ) и подвесные (35 кВ и выше). Подвесные изоляторы собирают в гирлянды. Число изоляторов в гирлянде зависит от класса напряжения и вида опор.

Линейная арматура включает в себя зажимы, сцепную арматуру, гасители вибраций и демпфирующие петли, а также распорки. Зажимы предназначены для крепления проводов к изоляторам. Сцепная арматура служит для подвески гирлянд на опорах, для соединения многоцепных гирлянд между собой и для соединения проводов и тросов. Распорки используются для фиксации расщепленных проводов фаз относительно друг друга.

Основными типами опор ВЛ являются анкерные и промежуточные. Опоры этих двух основных групп различаются способом подвески проводов. На промежуточных опорах провода подвешиваются с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов (рис. 2). Расстояние между промежуточными опорами называется промежуточным пролетом, или просто пролетом, а расстояние между анкерными опорами – анкерным пролетом. Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках ВЛ для поддержания провода в анкерном пролете. Промежуточная опора дешевле и проще в изготовлении, чем анкерная, т. к. благодаря одинаковому тяжению проводов по обеим сторонам она при необорванных проводах не испытывает усилий вдоль линии. Промежуточные опоры составляют 80…90 % общего числа опор.

Рис. 2. Схема анкерного пролета ВЛ и пролета пересечения с железной дорогой

Анкерные опоры предназначены для жесткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ: на пересечениях инженерных сооружений (например, железных дорог, ВЛ 330…500 кВ, автомобильных дорог шириной проезжей части более 15 м и т. д.) и на концах ВЛ. Анкерные опоры на прямых участках трассы ВЛ, при подвеске проводов с обеих сторон от опоры в нормальных режимах, выполняют те же функции, что и промежуточные опоры. Но анкерные опоры рассчитываются на восприятие односторонних тяжений по проводам и тросам при обрыве проводов или тросов в примыкающем пролете. Анкерные опоры значительно сложнее и дороже промежуточных, и поэтому число их на каждой линии должно быть минимальным.

Угловые опоры устанавливают в точках поворота линии. Углом поворота линии называется угол α в плане линии (рис. 3), дополненный до 180° к внутреннему углу β линии. Траверсы угловой опоры устанавливают по биссектрисе угла β.

Рис. 3. Угол поворота ВЛ: 1 – подножники опоры; 2 – траверса; 3 – петля

Угловые опоры могут быть анкерного и промежуточного типа. Кроме нагрузок, воспринимаемых промежуточными опорами, на угловые опоры действуют также нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Чаще всего при углах поворота линий до 20° применяют угловые опоры анкерного типа.

На ВЛ применяются специальные опоры следующих типов: транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительные – для выполнения ответвлений от основной линии; переходные – для пересечения рек, ущелий и т. д.

Транспозицию применяют на линиях напряжением 110 кВ и выше протяженностью более 100 км для того, чтобы сделать емкость и индуктивность всех трех фаз цепи ВЛ одинаковыми. При этом на опорах последовательно меняют взаимное расположение проводов по отношению друг к другу на разных участках линии: провод каждой фазы проходит одну треть длины линии на одном, вторую – на другом и третью – на третьем месте. Такое тройное перемещение проводов называют циклом транспозиции (рис. 4).

Рис. 4. Цикл транспозиции проводов одоноцепной линии

Наиболее распространенные расположения проводов и грозозащитных тросов на опорах изображены на рис. 5. Расположение проводов треугольником (рис. 5, а) применяют на ВЛ напряжением 10 кВ и на одноцепных ВЛ напряжением 35…330 кВ с металлическими и железобетонными опорами. Горизонтальное расположение проводов (рис. 5, б) используют на ВЛ напряжением 35…220 кВ с деревянными опорами и на ВЛ напряжением 330 кВ. Это расположение проводов позволяет применять более низкие опоры и уменьшает вероятность схлестывания проводов при образовании гололеда и пляске проводов. Поэтому горизонтальное расположение предпочтительнее в гололедных районах.

На двухцепных ВЛ расположение проводов обратной елкой удобнее по условиям монтажа (рис. 5, в), но увеличивает массу опор и требует подвески двух защитных тросов. Наиболее экономичны двухцепные ВЛ напряжением 35…330 кВ на стальных и железобетонных опорах с расположением проводов бочкой (рис. 5, г).

Деревянные опоры применяют на ВЛ напряжением до 35 кВ включительно. Достоинства этих опор – малая стоимость (в районах, располагающих лесными ресурсами) и простота изготовления. Недостаток – подверженность древесины гниению, особенно в месте соприкосновения с почвой. Эффективное средство против гниения – пропитка специальными антисептиками.

Рис. 5. Расположение проводов и тросов на опорах: а – по вершинам треугольника; б – горизонтальное; в – обратная елка; г – бочка

Металлические (стальные) опоры, применяемые на линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше, для защиты от коррозии в процессе эксплуатации требуют окраски. Устанавливают металлические опоры на железобетонных фундаментах. Эти опоры по конструктивному решению могут быть отнесены к двум основным схемам – портальным (рис. 6, а, б) и башенным или одностоечным (рис. 6, в, г), а по способу закрепления на фундаментах – к свободностоящим опорам (рис. 6, г) и опорам на оттяжках (рис. 6, а–в).

Независимо от конструктивного решения и схемы металлические опоры выполняются в виде пространственных решетчатых конструкций. Анкерные опоры отличаются от промежуточных увеличенными вылетами траверс и усиленной конструкцией тела опоры. На ВЛ напряжением 500 кВ, как правило, применяется горизонтальное расположение проводов. Промежуточные опоры напряжением 500 кВ могут быть портальными свободностоящими или на оттяжках. Наиболее распространенная конструкция опоры напряжением 500 кВ – портал на оттяжках (рис. 6, а). Для линии напряжением 750 кВ применяются как портальные опоры на оттяжках, так и V-образные опоры типа «Набла» с расщепленными оттяжками. Основным типом промежуточных опор для линий напряжением 1150 кВ являются V-образные опоры на оттяжках с горизонтальным расположением проводов (рис. 6, б).

Рис. 6. Металлические опоры: а – промежуточная одноцепная на оттяжках напряжением 500 кВ; б – промежуточная V-образная напряжением 1150 кВ; в – промежуточная опора ВЛ постоянного тока напряжением 1500 кВ; г – свободностоящая напряжением 110 кВ

Наиболее защищенным видом передачи электроэнергии, но к тому же дорогим является кабельная электропередача.

Кабельные линии прокладывают в земляных траншеях, специальных кабельных сооружениях, на эстакадах, в галереях, открыто по стенам зданий и сооружений, в трубах, во внутрицеховых помещениях промышленных предприятий, а также коллекторах – подземных сооружениях, предназначенных для прокладки в них кабелей совместно с линиями связи и другими коммуникациями.

Каждый вид специального сооружения для прокладки кабелей характеризуется максимальным количеством силовых кабелей, которые можно в нём проложить. Траншея – 6 кабелей, канал –24, блок – 20, туннель – 72, эстакада – 24, галерея – 56.

Редко отдаётся предпочтение какому-либо одному виду прокладки кабелей. Обычно применяют смешанную прокладку, когда в зависимости от конкретных условий является целесообразным комбинированное исполнение различных способов прокладки кабельных линий.

Кабели, в зависимости от уровня напряжения и предназначения, имеют различное конструктивныое исполнение. В цепях 220/380 В, которые преимущественно применяются в трехфазных системах с заземленной нейтралью, кабели изготовляются в основном в четырехжильном исполнении (три фазных проводника и один нулевой для соединения с заземленной нейтралью – рис. 7), хотя выпускаются и трехжильные кабели. В качестве электрической изоляции жил и защитных оболочек кабелей применяются пластмассы преимущественно на основе поливинилхлоридных (ПВХ) пластикатов. Форма токопроводящих жил чаще всего секторная, т. к. она позволяет получить компактную и соответственно экономичную конструкцию кабеля. Однако силовые кабели такого типа выпускаются и с круглыми жилами. Материал жил – медь.

Рис. 7. Пример типовой конструкции кабеля напряжением до 1 кВ

Силовые кабели среднего напряжения применяются в распределительных сетях с изолированной нейтралью на напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ. Основным напряжением распределительных сетей энергосистем России и стран СНГ является напряжение 10 кВ. В качестве электрической изоляции кабелей среднего напряжения применяется бумажная пропитанная и пластмассовая изоляция. Силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 6 и 10 кВ изготовляются трехжильными. В качестве фазной и поясной изоляции применяется бумага, пропитанная маслоканифольным составом. Такие кабели выпускаются с медными и алюминиевыми жилами секторной формы. Для защиты гигроскопичной изоляции в конструкции кабеля предусмотрена металлическая оболочка из свинца или алюминия. Поверх металлических оболочек накладываются защитные покровы для механической и коррозионной защиты.

Силовые кабели высокого напряжения. К этому классу относятся кабели на напряжение 110, (150), 220, (380) и 500 кВ применительно к номинальным напряжениям систем электропередачи, принятых в России и странах СНГ. Напряжения 150 и 380 кВ используются в отдельных случаях.

К электрической изоляции кабелей высокого напряжения предъявляются высокие требования в части электрической прочности, высокой надежности в течение длительных сроков службы (35 и более лет). Напряженности электрического поля в изоляции таких кабелей составляют от 7 до 15 кВ/мм, т. е. являются наиболее высокими по сравнению с напряженностями поля в любых электротехнических аппаратах и устройствах. Напряженность электрического поля является одним из главных параметров, обеспечивающих приемлемые конструктивные размеры (диаметры) кабелей. Высокие рабочие напряженности электрического поля ставят серьезные научно-технические проблемы с точки зрения обеспечения высокого ресурса работы кабелей. Эти проблемы успешно решены для двух видов электрической изоляции кабелей: бумажно-пропитанной, работающей под избыточным давлением масла (маслонаполненные кабели – МНК), и из сшитого полиэтилена (ПЭ) с применением соответствующих технологий, обеспечивающих чистоту и требуемое качество изоляции.

В конструкциях и технологии изготовления МНК приняты меры для обеспечения надежной работы изоляции при высоких напряженностях электрического поля:

• изоляция кабеля в процессе эксплуатации находится под постоянным избыточным давлением изоляционного масла для предотвращения частичных разрядов в структуре изоляции;
• технология изготовления кабеля предусматривает тщательную термовакуумную обработку изоляции и масла для обеспечения минимальных диэлектрических потерь в изоляции, которые определяют высокий ресурс работы кабеля.

На рис. 8 приведена конструкция МНК высокого давления в стальной трубе.

Кабели высокого напряжения со сшитой ПЭ-изоляцией имеют ряд важных преимуществ в эксплуатации по сравнению с МНК:

• не требуют систем подпитки маслом и сигнализации давления, что снижает трудоемкость обслуживания и капитальные затраты на сооружение кабельных линий;
• позволяют осуществлять прокладку без ограничения разностей уровней на трассе;
• снижают трудоемкость монтажных работ при сооружении кабельных линий;
• экологически безопасны (отсутствует утечка масла в грунт, что наблюдается при эксплуатации МНК);
• имеют повышенную нагрузочную способность и стойкость к токам короткого замыкания за счет более высокой теплостойкости изоляции из сшитого ПЭ по сравнению с пропитанной бумагой.

Рис. 8. Конструкция маслонаполненного кабеля высокого давления в стальной трубе: 1 – бумажная изоляция, пропитанная маслом; 2 – стальная труба; 3 – экран из медной ленты; 4 – медная проволока скольжения; 5 – токопроводящая жила; 6 – антикоррозийное покрытие

Рис. 9. Конструкция кабеля высокого напряжения с изоляцией из сшитого ПЭ: 1 – токопроводящая жила; 2 – экран по токопроводящей жиле; 3 – изоляция; 4 – экран по изоляции; 5, 7 – водонабухающие ленты; 6 – проволочный экран; 8 – нагружная оболочка

Напряженность электрического поля в пластмассовой изоляции находится на уровне напряженности в бумажно-пропитанной изоляции и составляет от 6 до 15 кВ/мм, в зависимости от номинального напряжения кабелей. Типовая конструкция кабеля высокого напряжения с изоляцией из сшитого ПЭ показана на рис. 9.

4. Понятие о качестве электроэнергии и его влияние на работу электроприемников

Понятие качества электрической энергии (КЭЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭЭ.

Качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Качество электроэнергии часто характеризуют также термином «электромагнитная совместимость». Под электромагнитной совместимостью понимают способность электроприемников нормально функционировать в его электромагнитной среде, т. е. в электрической сети, к которой он присоединен, не создавая недопустимых электромагнитных помех для других приемников, работающих в той же среде.

Проблема электромагнитной совместимости промышленных потребителей с питающей сетью возникла в связи с широким использованием устройств, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на КЭЭ. Бытовые потребители, как и промышленные, также должны иметь электромагнитную совместимость с другими потребителями, включенными в общую электросеть, не снижать эффективность их работы и не ухудшать показатели КЭЭ.

КЭЭ в промышленности оценивается по технико-экономическим показателям, которые учитывают ущерб, возникающий вследствие порчи материалов и оборудования, расстройства технологического процесса, ухудшения качества выпускаемой продукции, снижения производительности труда – так называемый технологический ущерб. Кроме того, существует и электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, который характеризуется увеличением потерь электроэнергии, выходом из строя электротехнического оборудования, нарушением работы автоматики, телемеханики, связи, электронной техники и т. д.

Качество электроэнергии связано с надежностью электроснабжения, поскольку нормальным режимом электроснабжения потребителей является такой режим, при котором потребители получают электроэнергию бесперебойно, в количестве, заранее согласованном с энергоснабжающей организацией, и нормированного качества.

Нормирование качества электроэнергии

Нормы на показатели качества электроэнергии устанавливаются действующим ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Он устанавливает показатели и нормы КЭЭ в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения).

Нормы КЭЭ, установленные стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении установленных норм КЭЭ обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей энергоснабжающих организаций и электрических сетей потребителей электрической энергии. По показателям, регламентируемым данным стандартом, электрическая энергия подлежит обязательной сертификации.

ГОСТ 13109-99 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения – ТОП).

Этот ГОСТ устанавливает 11 основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ):

• отклонение частоты δf;
• установившееся отклонение напряжения δU_у;
• размах изменения напряжения δU₁;
• доза фликера (мерцания или колебания) Р_t;
• коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K_U;
• коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения K_U(n);
• коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K_2U;
• коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K_0U;
• глубина и длительность провала напряжения δU_п , ∆t_п;
• импульсное напряжение U_имп;
• коэффициент временного перенапряжения K_перU.

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

• частота повторения изменений напряжения F_δUt;
• интервал между изменениями напряжения ∆_{ti, ti+1};
• глубину провала напряжения δU_п;
• частота появления провалов напряжения F_п;
• длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ∆t_имп0,5;
• длительность временного перенапряжения ∆t_{пер U}.

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

В настоящей работе целью ставилось улучшение синусоидальности напряжения, поэтому в дальнейшем качество электроэнергии оценивается по двум показателям КЭЭ, характеризующим степень отклонения формы напряжения от синусоиды:

• коэффициенту искажения синусоидальности напряжения K_U;
• коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения K_U(n).

Данные показатели определяются как значения, усредненные за 3 с. Определение показателей, характеризующих синусоидальность напряжения, производится следующим образом. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения определяют по формуле

где U_(n) – значение n-й гармонической составляющей напряжения;

U₍₁₎ – значение первой (основной) гармоники напряжения.

Значение гармоник нормируется до n = 40. В ГОСТ 13109-97 определено, что качество электроэнергии по показателю коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов искажения не превышает предельно допустимого значения. Также значение коэффициента искажения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не должно превышать нормально допустимого значения.

Различают электромагнитное и технологическое влияние отклонения частоты на работу электроприемников. Электромагнитная составляющая обусловливается увеличением потерь активной мощности и ростом потребления активной и реактивной мощностей. Можно считать, что снижение частоты на 1 % увеличивает потери в сетях на 2 %.

Технологическая составляющая вызвана в основном недовыпуском промышленными предприятиями продукции. Согласно экспертным оценкам, значение технологического ущерба на порядок выше электромагнитного.

Анализ работы предприятий с непрерывным технологическим процессом показал, что большинство технологических линий оборудовано механизмами с постоянным и вентиляторным моментами сопротивлений, а их приводами служат асинхронные двигатели. Частота вращения двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зависит от частоты вращения двигателя. При значительном повышении частоты в энергосистеме, что может быть, например, в случае уменьшения (сброса) нагрузки, возможно повреждение оборудования.

Кроме того, пониженная частота в электрической сети влияет на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных элементов.

Снижение частоты приводит к увеличению потребляемой нагрузкой реактивной мощности, что влечет за собой понижение напряжения в узле присоединения нагрузки. При этом потребляемая активная мощность снижается. Обычно увеличение потребляемой реактивной мощности выше, чем снижение активной мощности, что приводит к увеличению перетоков полной мощности по элементам сети и, следовательно, к увеличению потерь мощности и энергии в сети.

Изменение нагрузки потребителей в сети может быть различным по характеру. При малых изменениях нагрузки в системе требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты в системе может производиться на одной, так называемой частотно-регулирующей, станции. При больших изменениях нагрузки увеличение мощности должно быть предусмотрено на значительном числе станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемыми изменениями нагрузок потребителей заранее составляются графики соответствующего изменения нагрузки электростанций. При этом предусматривается экономическое распределение нагрузок между станциями.

В послеаварийных режимах, например при отключении мощных линий электропередач, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно работающие части. В некоторых из них мощность электростанций может оказаться недостаточной для поддержания частоты и будут наблюдаться большие изменения частоты. Это, как уже отмечалось, приведет к резкому снижению производительности оборудования собственных нужд электростанций (питательных и циркуляционных насосов, дымососов и т. д.), что вызовет дальнейшее значительное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из работы. Для предотвращения общесистемных аварий в подобных случаях предусматривают специальные автоматические устройства частотной разгрузки (АЧР), отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности, например после включения резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (АПВЧ) включают отключенных потребителей, и нормальная работа системы восстанавливается.

Каждый приемник электроэнергии спроектирован для работы при номинальном напряжении и должен обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную ГОСТ величину. При изменении напряжения в пределах этого рабочего диапазона могут изменяться значения выходного параметра приемника электроэнергии, например: температура в электротермической установке, освещенность у электроосветительной установки, полезная мощность на валу электродвигателя и т. д.

Одновременно с изменением выходных параметров, а в ряде случае даже когда выходные параметры не изменяются, изменение напряжения приводит к изменению потребляемой приемником электроэнергии.

Работа электротермических установок при значительном снижении напряжения существенно ухудшается, т. к. увеличивается длительность технологического процесса.

Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением 0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект активной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряжения приводит к перерасходу электроэнергии.

Индукционные плавильные печи промышленной частоты и повышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.

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. Регулирующие эффекты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизером для активной мощности – 3,5; для реактивной мощности – 7,6.

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 0,9U_НОМ время сварки увеличивается на 20 %, а при выходе его за пределы (0,9… 1,1)U_НОМ 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.

Установки электрического освещения с лампами накаливания – люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения. В производственных цехах в настоящее время применяются преимущественно дуговые ртутные лампы высокого давления типов ДРЛ и ДРИ 220 В. Аварийное освещение, составляющее 10 % от общего, выполняется лампами накаливания. Коэффициент мощности светильников с индивидуальными конденсаторами – 0,9…0,95, а без них – 0,6. Лишь лампы накаливания имеют коэффициент мощности 1,0. В цехах, лабораториях, административных помещениях, требующих повышенной освещенности и правильной цветопередачи, устанавливают люминесцентные лампы. Для наружного освещения рекомендуются лампы типа ДРЛ. Регулирующий эффект у ламп накаливания в области номинального напряжения равен 1,6.

Необходимо отметить, что при изменении напряжения изменяется освещенность, световой поток и срок службы лампы. На каждый процент понижения напряжения световой поток уменьшается приблизительно на 3,6 %. Срок службы увеличивается приблизительно на 1,3 %.

ГОСТ 13109-99 определяет воздействие колебаний напряжения на осветительные установки, влияющие на зрение человека. Мигание ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Степень раздражения органов зрения зависит от величины и частоты мигания. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывают мигания света с частотой 3… 10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны: менее 0,5 %, причем степень воздействия зависит от типа источника света. Например, при одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают значительно большее воздействие, чем газоразрядные лампы.

Колебания напряжения более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп. Зажигание их, в зависимости от типа ламп, происходит через несколько секунд или даже минут. При глубоких колебаниях напряжения (более 15 %) могут отпасть контакты магнитных пускателей, вызвав нарушения технологии производства. Колебания напряжения с размахом 10…15 % могут привести к выходу из строя конденсаторов, а также вентильных выпрямительных агрегатов. На металлургических заводах к числу приемников, чувствительных к колебаниям напряжения, относятся станы непрерывной прокатки. При колебаниях напряжения возникают качания турбогенераторов. Для самих турбогенераторов такие качания не опасны, однако, передаваясь на лопатки турбины, они могут привести в действие регуляторы скорости.

Заметное влияние оказывают колебания напряжения на асинхронные двигатели небольшой мощности. Колебания недопустимы для текстильного, бумагоделательного и других производств, предъявляющих особенно высокие требования к точности поддержания частоты вращения приводов, в качестве которых используют асинхронные двигатели.

Подробно исследовано влияние колебаний напряжения на электролизные установки. Колебания напряжения с размахом 5 % вызывают резкое увеличение износа анодов и сокращение срока службы. Колебания напряжения оказывают существенное влияние на контактную сварку. Это воздействие сказывается как на качестве самого сварочного процесса, так и на надежности работы управления сваркой. На качество напряжения в сетях контактной сварки накладываются жесткие ограничения по размаху изменений напряжения: 5 % – для сварки обычных сталей и 3 % – для сварки титановых и других жаропрочных сталей и сплавов. Продолжительность допустимых колебаний напряжения для аппаратуры управления машинами контактной сварки ограничивается величиной не более 0,2 с во избежание ложной работы этих устройств. Колебания напряжения отрицательно влияют на работу радиоприборов, нарушая их нормальную работу и снижая срок службы. Помехи в телевизионных изображениях проявляются при частотах 0,5…3 Гц и заметны главным образом при неподвижных изображениях. К электроприемникам, чувствительным к колебаниям напряжения, относятся также вычислительные машины, рентгеновские установки и т. д. При работе ЭВМ в режиме управления иногда оказывается достаточным одногодвух колебаний с размахом 1…1,5 %, чтобы возник сбой в какой-либо ячейке машины и, как следствие, возникли ошибки в командах управления или при производстве расчетов.