Показатели качества электроэнергии. Категории надежности электроснабжения электроприемников

1. Параметры, определяющие качество электроэнергии

Качество электроэнергии в сетях трехфазного переменного тока характеризуется отклонениями и колебаниями напряжения и частоты от установленных норм, несинусоидальностью напряжения, смещением нейтрали и несимметрией напряжения основной частоты. Отступления от нормированных параметров поступающей в сеть электроэнергии, табл. 1, влияют на выпуск продукции, на ее качество и на протекание технологических процессов.

Таблица 1 — Номинальные напряжения электрических систем

*Не нормированное, но используемое напряжение.

1.1. Отклонением напряжения

Отклонением напряжения называют быстро протекающие (со скоростью не менее 1 % в секунду) изменения напряжения. Они возникают при работе ЭП с резкопеременной нагрузкой: при работе синхронных двигателей (СД) преобразовательных агрегатов, двигателей прокатных станов, дуговых электропечей, электросварочных машин, а также при пуске электродвигателей (ЭД). Отклонение напряжения не должно выходить за пределы (–5 ÷ +10) % от номинального значения. К постоянству напряжения требовательны источники света, которые изменяют свои характеристики в зависимости от его уровня. Для ЭД, электроламп, прожекторов, для освещения жилых домов изменение напряжения не должно быть более ±5 %; для внутреннего рабочего освещения предприятий – не более ±2,5 % от номинального значения. В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения до 5 %, но не более чем на сутки.

Отклонение напряжения (±ΔU) от номинального значения ведет к ухудшению работы ЭО, к преждевременному износу оборудования и определяется разницей между фактическим (U) и номинальным напряжением (UN):

Если для данного момента времени (t) известны отклонения напряжения в начале линии ΔU1t и падение напряжения в линии ΔUt, то отклонение напряжения в конце линии ΔU2t будет, В:

Причиной отклонений напряжения у потребителей конкретного предприятия может быть изменение в режимах работы его ЭП и ЭП других предприятий, питающихся от той же сети, а также изменения в работе энергосистемы.

Основными средствами регулирования напряжения являются трансформаторы или АТ с автоматическим регулированием под нагрузкой, устанавливаемые на главных понизительных подстанциях (ГПП) и на подстанциях глубокого ввода (ПГВ). Во многих случаях этого бывает достаточно благодаря применению ПГВ, располагаемых в центрах нагрузок соответствующих групп потребителей. Для особо чувствительных к отклонениям напряжения ЭП, имеющих разные режимы работы и удаленность от ГПП или ПГВ, необходимо предусматривать дополнительные групповые или индивидуальные средства регулирования напряжения, например, вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ), которые имеют переменный коэффициент трансформации.

Вторичная обмотка ВДТ последовательно включается в цепь вторичной обмотки основного трансформатора (рис. 2) для регулирования или стабилизации напряжения в цепи нагрузки. Первичная обмотка ВДТ питается через регулируемый АТ от обмотки низшего напряжения основного трансформатора.

Рисунок 2 – Принципиальная схема включения ВДТ: 1 – основной трансформатор; 2 – вольтодобавочный трансформатор; 3 – автотрансформатор

Разновидность ВДТ – линейные трансформаторы для поперечного регулирования, позволяющие сдвигать по фазе напряжение сети, не изменяя его значения. При этом первичная обмотка регулируемого АТ каждой фазы подключается к линейному напряжению двух других фаз. Улучшение коэффициента мощности (cosφ) сети приводит к снижению потерь напряжения и энергии.

Цеховые трансформаторы с регулированием под нагрузкой применяются только в тех случаях, когда другие средства регулирования недостаточны или неэкономичны.

1.2. Колебаниями напряжения

Колебаниями напряжения называют кратковременные отклонения напряжения от номинального значения при скорости изменения не менее 1% в секунду. Допустимая величина колебания напряжения на зажимах ЭП (ΔUt), сверх номинального значения, определяется в зависимости от частоты их повторений, %:

где п – число колебаний в час;

Δt – средний интервал между колебаниями за час, мин.

Колебание напряжения при скорости его изменении на 1 % в секунду и более (в абсолютных единицах или в %) может быть рассчитано более просто:

где ΔUt – колебание напряжения, В; Umax – максимальное значение напряжения, В; Umin – минимальное значение напряжения, В.

Наибольшие колебания напряжения были отмечены при включении регулируемых вентильных преобразователей, требующих большой реактивной мощности. При асинхронном пуске крупных СД могут быть броски тока, превышающие в 2,8 раз номинальный, что вызывает колебания напряжения. Существенные колебания напряжения вызывают дуговые трехфазные сталеплавильные электропечи (ДСП), в которых в период расплавления металла (шихты) и в начале окисления возникают эксплуатационные КЗ. Повторно — кратковременные режимы работы сварочных аппаратов с частыми включениями и толчками нагрузки также приводят к большим колебаниям напряжения в цеховых сетях.

Колебания напряжения, вызываемые изменением мощности ЭД при резкопеременной нагрузке, приближенно определяются, В:

где ΔP и ΔQ – соответственно изменения активной (Вт) и реактивной (вар) мощности ЭП;

SK – полная мощность КЗ в точке питающей сети, в которой проверяются колебания напряжения, В·А.

Если пренебречь активным сопротивлением сети, которое в промышленных электросетях обычно не превышает 10 % от индуктивного, то колебания напряжения можно определить более просто, В:

Для приближенного определения колебаний напряжения при работе ДСП можно применять формулу:

где ST – полная номинальная мощность печного трансформатора, В·А. При работе нескольких ДСП колебания увеличиваются пропорционально их количеству. Можно сделать практический вывод, что величина колебаний напряжения при прочих равных условиях определяется мощностью КЗ питающей сети: чем она выше, тем меньше колебания.

Снижение влияния мощных ЭП, печных и других электроустановок с резкопеременной ударной нагрузкой на электрическую сеть достигается:

• за счет выбора рациональных СЭС и схем пуска крупных ЭД;
• увеличением напряжения питающих и распределительных сетей;
• приближением крупных ЭП с резкопеременной нагрузкой к источникам питания;
• подключением ЭП по индивидуальным линиям непосредственно к ГПП или ТЭЦ, минуя РУ и цеховые подстанции.

В сетях ПП применяют разделение питания ударных и так называемых «спокойных» нагрузок:

• группы ЭП с ударными нагрузками при их значительной мощности питаются от отдельных трансформаторов, но с общим резервным трансформатором, так как возможны значительные колебания напряжения во время послеаварийного режима;
• ударные и «спокойные» нагрузки присоединяются к разным ветвям РУ, включаюм в отдельные линии или запитывают от отдельных трансформаторов;
• на ГПП или ПГВ применяются трансформаторы с расщепленными вторичными обмотками (с коэффициентом расщепления Кр не менее 3,5), с выделением на одну из ветвей обмотки питания резкопеременных ударных нагрузок, а на другую – «спокойных» нагрузок, включая системы освещения.

Если это оказывается недостаточным, предусматриваются специальные устройства для ограничения колебаний напряжения. Наиболее реальными и эффективными из них являются синхронные компенсаторы (СК), регулируемые СД, системы продольной компенсации и др. Они работают в так называемом «режиме слежения» за реактивным током подключенных ЭП.

1.3. Несинусоидальность формы кривой напряжения

Несинусоидальность формы кривой напряжения (К) может быть определена:

где UN – действующее номинальное значение напряжения, В; ν – номер гармоники напряжения, ν=1 – рабочая гармоника.

Длительно допустимой несинусоидальностью напряжения является условие K ≤ 5 %.

Снижение действующего значения напряжения при длительной несинусоидальности может быть рассчитано:

где и  – векторный оператор (фазный множитель); UN – линейное напряжение, В.

При рассмотрении влияния высоких гармоник, определяющих несинусоидальность формы кривой напряжения, обычно учитывают гармоники от 3 до 13, (ν =13). Принято считать, что влиянием более высоких гармоник (ν >13) можно пренебречь. Однако исследования показывают, что гармоники выше 13-й также могут оказывать влияние на общую несинусоидальность, и их необходимо учитывать при определении коэффициента несинусоидальности. Исследования показали, что величина несинусоидальности уменьшается с увеличением мощности короткого замыкания (КЗ) питающей сети, чему способствует включение емкостных элементов, в частности, конденсаторных батарей.

Для ограничения уровней высших гармоник в установках с вентильными преобразователями применяют многофазные («многоплечевые») схемы выпрямления. Хорошие результаты дает применение силовых резонансных фильтров, состоящих из последовательно соединенных реакторов (L) и конденсаторных батарей (С). Каждый фильтр настраивается на частоту (ν) одной или нескольких высших гармоник так, чтобы сопротивление реактора (индекс «р») на частоте батареи (ωб) отвечало условию:

1.4. Смещение нейтрали трехфазной сети

Смещение нейтрали трехфазной сети  (абсолютное напряжение нулевой последовательности основной частоты) или «смещение нейтрали» – термин, характеризующий изменение фазных напряжений при несимметричных нагрузках в трехфазной сети. Иногда используют термин «перекос фаз».

В трехфазной сети фазные напряжения распределяются между потребителями в соответствии со временем их включения и величиной нагрузки. Необходимо использовать нейтрали, чтобы обеспечивать подачу фазного напряжения к каждому ЭП при несимметричной нагрузке. Нейтралью называют общую точку обмоток электрических машин (ЭМ) при их соединении в схему «звезда». При соединении в схему «треугольник» для получения нейтральной точки можно использовать схему «скользящий треугольник».

где – геометрическая сумма векторов напряжений фаз А, В и С, В.

Рисунок 3 – Графическое представление напряжений при смещении нейтрали

Существует связь величины фазных напряжений с нагрузками по фазам: у более нагруженной фазы напряжение уменьшается, например, до 195÷205 В, а у менее нагруженной – увеличивается (до 245 В и более), рис. 3.

При этом возможно появление тока в нейтрали, который по своей величине будет близким к току нагруженной фазы, что приводит к увеличению потерь в кабельных линиях и ВЛЭП, на трансформаторных подстанциях и даже в высоковольтных ВЛЭП, питающих эти подстанции. Повышение напряжения опасно для ЭП, как промышленного, так и бытового сектора. Например, у асинхронных двигателей (АД) уже при 2 % увеличения напряжения значительно повышается нагрев обмоток, что сокращает срок службы изоляции. Увеличение на 4 – 6 % вызывает рост потерь почти в два раза. То же относится к лампам накаливания и люминесцентным лампам: при повышении напряжения на 5 % их спирали перегорают почти в два раза быстрее.

Чтобы уменьшить смещение нейтрали при несимметричной нагрузке, перед подстанциями устанавливают симметрирующие АТ: увеличение нагрузки в одной из фаз вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включенной обмотке АТ тоже увеличится, и произойдет компенсация падения напряжения, пропорциональная силе тока нагрузки. Наилучший эффект обеспечивает установка АТ вблизи распределительной подстанции. Это обеспечивает подачу к потребителям симметричного напряжения, уменьшает потери и позволяет отфильтровать высокие гармоники тока, возникающие от работы газоразрядных ламп, мощных выпрямителей и инверторов, сварочных аппаратов.

Подобные искажения вызывают дополнительные потери во всех ЭП, подключенных к этой электросети. Неоднородность нагрузки влияет и на источник питания (трансформатор или генератор), но только если эта нагрузка больше мощности источника. Компенсация смещения нейтрали с использованием специального АТ – дорогой способ уменьшения потерь электроэнергии из-за несимметричной нагрузки. Однако положительный эффект от этого способа быстро окупает все расходы.

1.5. Несимметрия трехфазного напряжения

Несимметрия трехфазного напряжения (напряжение обратной последовательности основной частоты в абсолютных единицах или в % от UNфаз). Наибольшую несимметрию напряжения в трехфазных сетях создают однофазные электрические нагрузки: электропечи, крупные сварочные машины, электровозы карьерного и цехового транспорта и другое, — при их неравномерном распределении по фазам или же при равномерном распределении, но при неодновременном включении. Иногда оба эти фактора совпадают. В сетях с однофазными осветительными и бытовыми ЭП напряжение нулевой последовательности и несимметрия напряжения по показателям качества (ГОСТ 13109-87) не должны выводить действующие значения напряжений за допустимые пределы: для бытовых ЭП – (±5 %)· UN, для осветительных – (– 2,5÷+5%) UN. Для трехфазных ЭП (ГОСТ 13109-87) несимметрия напряжения не должна превышать ±2 % от UN.

Симметрирующие устройства выбирают с учетом экономических факторов, конструкций и места установки. Классификация электрических сетей по конструктивным признакам (по способу прокладки проводов и кабелей) для определения мест размещения симметрирующих устройств трехфазного напряжения приведена на рис. 4.

1.6. Отклонения частоты напряжения

Особые требования предъявляются к частоте напряжения. При нормальном режиме работы электрической сети отклонение частоты от номинального значения не должно быть более ±0,1 Гц (ГОСТ 13109-87), иногда допускается работа энергосистемы с отклонениями частоты ±0,2 Гц. Эти нормы не распространяются на период послеаварийного восстановления частоты в энергосистеме.

Рисунок 2.4 – Классификация электрических сетей по конструктивным признакам

В аварийных условиях при снижении частоты до 47-48 Гц предусматривается автоматическая частотная разгрузка (АЧР), отключающая менее ответственных потребителей в порядке заранее запланированной очередности.

1.7. Ограничение уровня высших гармоник

Высокие гармоники тока и напряжения, возникающие в электроустановках, возвращаются в сеть и вызывают несинусоидальность напряжения, что влияет на работу всех ЭП: увеличиваются потери и интенсивность старения изоляции ЭО и кабелей, появляются нарушения в работе приборов связи, измерений, защиты, автоматики и телемеханики. Особенно тяжелые последствия возникают в сетях с вентильными преобразователями, в которых коэффициент несинусоидальности может достигнуть 20÷25 %. При наличии в таких сетях конденсаторных батарей в зоне высоких гармоник могут возникнуть резонансные явления.

Вопросы обеспечения качества электроэнергии и бесперебойности ее поставки решаются на этапе проектирования СЭС ПП.

2. Категории надежности электроснабжения ЭП

Потребители электроэнергии подразделяются на три (плюс одна) категории надежности электроснабжения.

К 1-й категории относятся ЭП, перерыв в электроснабжении которых опасен для жизни людей, наносит значительный ущерб производству, вызывает повреждение сложного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложных технологических процессов, нарушение особо важных элементов городского хозяйства. Потребители 1-й категории должны иметь два независимых резервных источника питания. Перерыв в их электроснабжении допускается на время автоматического восстановления питания (включения резерва) устройством АВР (автоматическое включение резерва). Примерами ЭП 1-й категории могут служить все электростанции, доменные печи, котельные производственного пара, ответственные насосные, приводы вагранок, разливочные краны мартеновских печей, водоотливные и подъемные установки горнорудных предприятий и др. Удельный вес нагрузок 1-й категории в большинстве отраслей небольшой, за исключением химической и металлургической промышленности, на которых он достигает 40÷80 %.

«Особая» группа». Из состава потребителей 1-й категории выделяют особую группу потребителей, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства для предотвращения угрозы жизни большого количества людей, взрывов и пожаров. К этой категории, в первую очередь, относятся системы охлаждения блоков атомных электростанций (АЭС), нефтеперерабатывающие и химические заводы, заводы черной и цветной металлургии, шахты, насосные и вентиляционные системы производств, в которых прекращение вентиляции может вызвать опасную концентрацию горючих или токсических газов, а остановка насосов — пожар или взрыв. Примерами таких ЭП являются электродвигатели задвижек и запорной арматуры, приводы вентиляторов, компрессоров центробежных насосов, а также аварийное освещение.

Для электроснабжения ЭП особой группы должно быть предусмотрено резервное питание еще от третьего, независимого, источника и обеспечено его автоматическое включение. Независимым источником могут быть соседние электростанции; заводские ТЭЦ; аккумуляторные батареи или любые другие независимые источники. Безоговорочным примером ЭП особой категории является система охлаждения реакторов АЭС, для надежного резервирования электроснабжения которой используют источники независимого электроснабжения:

1. подача электроэнергии от резервных трансформаторов собственных нужд (СН) соседних блоков АЭС;
2. подача электроэнергии по магистралям резервного питания от дизель-генераторов или от резервных дизельных электростанций (РДЭС);
3. от соседних гидроэлектростанций (ГЭС), гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), тепловых электростанций (ТЭС), ТЭЦ – станцийспутников.

В табл. 2. приведены данные о способах дополнительного резервирования украинских АЭС (третий независимый канал).

Таблица 2 – Данные о станциях-спутниках украинских АЭС

Ко 2-й категории (наиболее многочисленной) относятся ЭП, перерыв в питании которых приводит к массовым недоотпускам продукции, простоям людей, механизмов и транспорта, к нарушениям нормальной жизнедеятельности населения. Требования к резервированию их питания менее строгие, чем к ЭП 1-й категории: допускаются перерывы электроснабжения до 1 часа, что необходимо для ручного или автоматического включения резерва дежурным персоналом и/или выездной бригадой, если на подстанции нет постоянных дежурных. Некоторые ЭП 2-й категории по требованию к питанию ближе к 1-й категории, а другие, наоборот, ближе к 3-й категории. Это учитывается при выборе коэффициента загрузки цеховых трансформаторов.

К 3-й категории относятся все ЭП, которые не относятся к 1-й и 2-й категориям. Они допускают перерывы в электроснабжении без существенного ущерба для потребителей в течение времени, необходимого для ремонта или замены вышедшего из строя ЭО, но не более чем на одни сутки (на 24 часа). К ЭП 3-й категории относятся оборудование механических и вспомогательных цехов, неответственных складов и т.п., бытовые потребители.

Таким образом, выбор источников питания выполняется:

1. для 1-й категории — два независимых источника питания. Для особой группы потребителей 1-й категории – три источника (дополнительно от электростанции-спутника или независимого источника). Коэффициент загрузки трансформаторов выбирается К_з = 0,60÷0,65;
2. ЭП 2-й категория имеют 1÷2 резервных источника питания (решается при конкретном проектировании). Коэффициент загрузки трансформаторов Кз = 0,7÷0,80;
3. для ЭП 3-й категории резервного питания не предусматривают. Коэффициент загрузки трансформаторов Кз = 0,85÷0,90.

Для правильного решения вопросов обеспечения надежности электроснабжения и степени резервирования необходимо знать параметры аварийных и послеаварийных режимов.

Под аварийным режимом подразумевается кратковременный переходный режим, вызванный нарушением нормального режима работы СЭС или ее отдельных звеньев, и продолжающийся до отключения поврежденного звена или элемента. Продолжительность аварийного режима определяется временем действия релейной защиты, автоматики и/или телеуправления.

Под послеаварийным режимом понимают режим, возникающий после отключения поврежденных элементов СЭС, т.е. после ликвидации аварийного режима. Он более длителен, чем аварийный режим, и продолжается до восстановления нормальных условий работы, т.е. номинального режима. В послеаварийном режиме допустимо частичное ограничение подаваемой мощности, возможны кратковременные перерывы питания ЭП 3-й и частично 2-й категорий на время переключений и пересоединений в пределах установленных нормальных уровней отклонений, колебаний напряжения и частоты. Если в послеаварийном периоде невозможна работа всех производств, то нужно обеспечить сокращенную работу предприятия с ограничением мощности или поддержание производства в состоянии «горячего резерва», чтобы после восстановления нормального электроснабжения предприятие могло быстро возобновить работу по заданной производственной программе.

Требования, предъявляемые к электроснабжению предприятий, зависят также от потребляемой ими мощности. С этой точки зрения предприятия условно подразделены на крупные, средние и малые.