Проблемы электроснабжения городов-миллионников

Размещено на http://allbest.ru

Введение

электрический энергия качество

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при определенных показателях КЭ: номинальных частоте, напряжении, и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ. Под термином "качество электрической энергии" понимается соответствие характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества электрической энергии [1].

Электромагнитная совместимость (ЭМС) является современным понятием, объединяющим такие известные электромагнитные явления, как радиопомехи, влияние на сеть, перенапряжения, колебания напряжения сети, электромагнитные влияния, паразитные связи, фон промышленной частоты 50 Гц, воздействия заземления и т.д. Существует несколько определений понятия «Электромагнитная совместимость». Так стандарт VDE 0870 (Общество немецких электротехников) определяет ЭМС как «способность электрического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, не влияя на это окружение, к которому принадлежат также и другие устройства, недопустимым образом» [2].

Электромагнитная совместимость технических средств - способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством [3].

Обеспечение надежного качества электроэнергии ведет к повышению эффективности работы ЭП и электроэнергетических систем (ЭЭС). Решение проблемы КЭ должно опираться на технико-экономическое сопоставление эффекта от мероприятий по улучшению качества и неизбежных при этом дополнительных затрат. КЭ оценивается по технико-экономическим показателям, учитывающим ущерб от некачественной электроэнергии:

технологический ущерб, обусловленный недоотпуском продукции, расстройством технологического процесса потребителей электроэнергии -- ущерб в системах электроснабжения потребителей;

электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, выражающийся в увеличении потерь электроэнергии и нарушении работы электрооборудования - ущерб в электроэнергетике.

Различают четыре вида режимов:

1) нормальные режимы, при которых отклонения показателей КЭ от их номинальных значений не выходят за длительно допустимые пределы;

2) временно допустимые режимы, характеризующиеся токовыми перегрузками, отклонениями напряжения и т. п., которые либо заложены в проектные расчеты (например, систематические перегрузки во время суточных максимумов), либо допускаются на определенное ограниченное время без существенного ущерба для сети и питаемых от нее приемников;

3) аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими недопустимыми явлениями; такие режимы обычно возникают при повреждениях элементов сети (при нарушениях изоляции, при обрыве проводников и т.п.) и имеют переходный (неустановившийся) характер;

4) послеаварийные режимы, в которые входят как переходные процессы, возникающие при ручном или автоматическом восстановлении питания (вызванные, например, одновременным самозапуском большого числа ЭП), так и установившиеся режимы в новых, часто ограниченных по мощности условиях питания [4].

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, что проблема анализа качества электрической энергии и поиск решений по повышению качества электрической энергии является востребованной в настоящее время, что делает тему работы «Анализ качества электроэнергии при снабжении города-миллионника и пути его повышения» актуальной.

ГЛАВА 1. Влияние отклонения показателей качества электрической энергии от установленных норм

1.1 Параметры качества электрической энергии

ГОСТ 32144-2013 устанавливает ПКЭ и нормы в точках передачи электрической энергии пользователям электрической энергии низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц. На рисунке 1 представлена структура ПКЭ.

Рис. 1. Структура ПКЭ

Как видно на рисунке, среди основных параметров есть нормируемые, т. е. параметры для которых ГОСТом установлены определенные нормы, а также ненормируемые, т. е. параметры, нормы для которых находятся на рассмотрении. Кроме того, среди ПКЭ выделяют вспомогательные параметры (случайные события).

Нормы КЭ, установленные [1], являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соответствии показателей КЭ установленным нормам обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей потребителей электрической энергии и электрических сетей энергоснабжающей организации.

Требования стандарта не распространяются на электрические сети специального назначения (контактные, тяговые, связи).

Под термином «кондуктивная электромагнитная помеха» в системе электроснабжения понимается электромагнитная помеха, которая распространяется по всем элементам электрической сети.

Понятие «точка общего присоединения» (ТОП) означает точку электрической сети общего назначения, к которой присоединены или технически могут быть присоединены электрические сети других потребителей электрической энергии.

Требования стандарта также не распространяются в случаях форс-мажорных обстоятельств (стихийные бедствия, исключительные погодные условия и др.).

Стандартом не устанавливаются нормы КЭ для режимов вызванных форс-мажорными обстоятельствами (исключительными погодными условиями, стихийными бедствиями и др.). Требования стандарта должны учитываться при эксплуатации и проектировании электрических сетей [5].

Как уже говорилось ранее, ГОСТом установлены основные и вспомогательные ПКЭ. Часть ПКЭ характеризует установившиеся режимы работы электрооборудования энергоснабжающией организации и ЭП и дает количественную оценку по особенностям технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии. К таким ПКЭ можно отнести:

- отклонение частоты;

- отрицательное отклонение напряжения;

- положительное отклонение напряжения;

- коэффициент гармонической составляющей напряжения;

- суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения;

-коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности;

- коэффициент несимметрии по обратной последовательности;

- кратковременная доза фликера;

- длительная доза фликера.

Другая часть ПКЭ характеризует кратковременные помехи, возникающие в электрической сети в результате коммутационных процессов, грозовых атмосферных явлений, работы средств защиты и автоматики в после аварийных режимах. К таким параметрам относятся:

- перенапряжения;

- провалы напряжения;

- импульсные напряжения;

- прерывание напряжения.

Для этих показателей ГОСТ не устанавливает допустимых численных значений. Для количественной оценки этих показателей должны измеряться амплитуда, длительность, частота их появления и другие характеристики, установленные, но не нормируемые стандартом. Статистическая обработка этих данных позволяет рассчитать обобщенные показатели, характеризующие конкретную электрическую сеть с точки зрения вероятности появления кратковременных помех [6].

Для оценки соответствия ПКЭ нормам ГОСТом устанавливается расчетный период, равный 7 суткам.

Рассмотрим подробнее ПКЭ и нормы, установленные ГОСТом.

Основные параметры:

1) Отклонение частоты.

Показателем КЭ, относящимся к частоте, является отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения, ?f, Гц

, (1)

где -- значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале времени 10 с в соответствии с требованиями [7], подраздел 5.1;

-- номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц. Номинальное значение частоты напряжения электропитания в электрической сети равно 50 Гц.

Для указанного показателя КЭ установлены следующие нормы:

- отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения не должно превышать ± 0,2 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и ± 0,4 Гц в течение 100% времени интервала в одну неделю;

- отклонение частоты в изолированных системах электроснабжения с автономными генераторными установками, не подключенных к синхронизированным системам передачи электрической энергии, не должно превышать ± 1 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и ± 5 Гц в течение 100% времени интервала в одну неделю.

2) Отрицательные и положительные отклонения напряжения.

Отрицательные и положительные отклонения напряжения обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети.

(2)

(3)

где , -- значения напряжения электропитания, меньшие и большие соответственно, усредненные в интервале времени 10 мин в соответствии с требованиями [7], подраздел 5.12;

-- напряжение, равное стандартному номинальному напряжению или согласованному напряжению .

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех_ и четырехпроводных трех- фазных систем). В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания .

Для отрицательного и положительного отклонения напряжения установлены следующие нормы: отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального значения или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в течение 7 суток.

3) Кратковременная и длительная дозы фликера.

Кратковременная доза фликера измеряется на интервале времени 10 мин, длительная доза фликера измеряется в интервале времени 2 ч, в точке передачи электрической энергии. Для длительной и кратковременной доз фликера установлены следующие нормы:

- кратковременная доза фликера не должна выходить за предельно допустимые границы - 1,38 (отн. ед.) в течение 100% времени интервала 7 суток;

- длительная доза фликера не должна выходить за предельно допустимые границы 1,0 (отн. ед) в течение 100 % времени интервала 7 суток.

4) Гармонические и интергармонические составляющие напряжения.

Показателями КЭ, относящимися к гармоническим составляющим напряжения являются [1]:

- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40_го порядка в % напряжения основной гармонической составляющей напряжения прямой последовательности в точке передачи электрической энергии;

- значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения , % в точке передачи электрической энергии.

Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:

а) значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблицах 1--3, в течение 95 % времени интервала в в течение 7 суток;

б) значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблицах 1--3, увеличенных в 1,5 раза, в течение 100 % времени каждого периода в течение 7 суток;

в) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблице 4, в течение 95 % времени интервала в течение 7 суток;

г) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблице 5, в течение 100 % времени интервала в течение 7 суток.

Таблица 1 Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения не кратных трем .

Порядок гармонической составляющей n.	Значения коэффициентов гармонических составляющих , %
	Напряжение электрической сети, кВ
	0,38	6-25	35	110-220
5	6	4	3	1,5
7	5	3	2,5	1
11	3,5	2	2	1
13	3,0	2	1,5	0,7
17	2	1,5	1	0,5
19	1,5	1	1	0,4
23	1,5	1	1	0,4
25	1,5	1	1	0,4
>25	1,5	1	1	0,4

Таблица 2 Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения, кратных трем .

Порядок гармонической составляющей n.	Значения коэффициентов гармонических составляющих , %
	Напряжение электрической сети, кВ
	0,38	6-25	35	110-220
3	5	3	3	1,5
9	1,5	1	1	0,4
15	0,3	0,3	0,3	0,2
21	0,2	0,2	0,2	0,2
>21	0,2	0,2	0,2	0,2

Таблица 3 Значения коэффициентов четных гармонических составляющих напряжения.

Порядок гармонической составляющей n.	Значения коэффициентов гармонических составляющих , %
	Напряжение электрической сети, кВ
	0,38	6-25	35	110-220
2	2	1,5	1	0,5
4	1	0,7	0,5	0,3
6	0,5	0,3	0,3	0,2
8	0,5	0,3	0,3	0,2
10	0,5	0,3	0,3	0,2
12	0,2	0,2	0,2	0,2
>12	0,2	0,2	0,2	0,2

Таблица 4 Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения.

Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих , %
Напряжение электрической сети, кВ
0,38	6-25	35	110-220
8	5,0	4,0	2,0

Таблица 5 Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения.

Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих , %
Напряжение электрической сети, кВ
0,38	6-25	35	110-220
12,0	8,0	6,0	3,0

Допустимые уровни интергармонических составляющих напряжения в настоящий момент не регламентируются и находятся на рассмотрении.

5) Несимметрия по нулевой и обратной последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений вызвана несимметричными нагрузками электроприемников или несимметрией элементов системы электроснабжения.

Вспомогательные параметры (случайные события):

1) Прерывания напряжения.

Прерывания напряжения перебоям напряжения, созданным преднамеренно в том случае, если абонент оповещен о предстоящем перебое напряжения. В тоже время, прерывание напряжения можно отнести к случайным явлениям, если перебой напряжения был вызван внешним воздействием, влиянием электромагнитных помех или отказом оборудованя.

2) Провалы напряжения.

Провал напряжения (внезапное кратковременное снижение напряжения) возникает в результате дефектов в системе электроснабжения или электроустановках потребителей, или же в результате подключения электропотребителя большой мощностью.

3) Перенапряжения.

Прерывание напряжения возникает, как правило, в результате переключения или отключения нагрузки. Перенапряжение может возникать в электрической сети как между фазными проводниками, так и между фазным проводником и защитным проводником.

В таблице 6 приведена сводная информация об основных ПКЭ и нормах КЭ.

Таблица 6 Основные ПКЭ и нормы КЭ.

ПКЭ, единица измерения	Нормы КЭ
	нормально допустимые	предельно допустимые
Отклонение частоты , Гц	±0,2	±0,4
Положительное отклонение напряжения ,%	--	10
Отрицательное отклонение напряжения ,%	--	10
Доза фликера, отн. ед.: кратковременная длительная	-- --	1,38 1,0
Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения , %	По таблицам 1-3	По таблицам 1-3
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения , %	По таблице 4	По таблице 5
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности , %	2	4
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности , %	2	4

1.2 Причины отклонения параметров качества электрической энергии от установленных норм

В таблице 7 представлены основные свойства электрической энергии, параметры качества и основные виновники, режим работы электрических сетей которых вызывает отклонение параметров КЭ от установленных норм.

Таблица 7 Параметры КЭ и основные причины их отклонения от установленных норм

Свойства электрической энергии	Показатель КЭ	Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
Отклонение напряжения	Положительное отклонение напряжения Отрицательное отклонение напряжения	Энергоснабжающая организация
Колебания напряжения	Размах изменения напряжения	Потребитель с переменной нагрузкой
	Доза фликера
Несинусоидальность напряжения	Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения	Потребитель с нелинейной нагрузкой
	Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
Несимметрия трехфазной системы напряжений	Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности	Потребитель с несимметричной нагрузкой
	Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности
Отклонение частоты	Отклонение частоты	Энергоснабжающая организация
Провал напряжения	Длительность провала напряжения	Энергоснабжающая организация
Импульс напряжения	Импульсное напряжение	Энергоснабжающая организация
Временное перенапряжение	Коэффициент временного перенапряжения	Энергоснабжающая организация

1.2.1 Установившееся отклонение напряжения: положительное и отрицательное

Положительное и отрицательное отклонение напряжения вызвано суточными, технологическими, сезонными изменениями электрической нагрузки потребителей. К таким изменениям можно отнести: регулирование напряжения генераторами электрических станций и подстанций энергетических систем, изменение мощности компенсирующих устройств в электрической сети, изменение схемы и параметров электрической сети.

Превышение фактического значения отрицательного отклонения напряжения от установленных норм:

- ухудшение пуска, увеличение токов в обмотке электрических двигателей, что снижает срок ее службы, соответственно, снижая срок службы самого двигателя;

- перегрузка преобразователей, регулируемых выпрямителей, и стабилизаторов;

Превышение фактического значения положительного отклонения напряжения от установленных норм:

- увеличение расхода электрической энергии, увеличение реактивной мощности электрических двигателей, пробои преобразователей, выпрямителей, стабилизаторов.

Причинами несоответствия значений отрицательного и положительного отклонений напряжения могут быть:

- неправильно выбранный коэффициент трансформации силового трансформатора 6-10/0,4 кВ;

- непроведенное своевременно сезонное переключение отпаек силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ;

- несимметричный режим работы электрических сетей 0,4 кВ;

- чрезмерное падение напряжения в распределительных сетях;

- отсутствие трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой в центре питания;

- неправильно заданные уставки регулирующих преобразователей на силовых трансформаторах, автотрансформаторах и генераторах

- увеличение разрешенной мощности электропотребитилей у абонентов;

- пониженная пропускная способность питающих сетей и др.

1.2.2 Колебания напряжения

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

- размахом изменения напряжения;

- кратковременная и длительная дозы фликера.

ГОСТом устанавливаются две характеристики дозы фликера: кратковременная (время наблюдения 10 мин.) и длительная (2 час.).

Колебания напряжения возникают в случае резкого изменения нагрузки на определённом участке электрической сети. К таким случаям можно отнести включение асинхронного двигателя большой мощностью, сопровождающееся скачками активной и реактивной мощности. Колебания напряжения распространяются с затуханием колебаниц по амплитуде в сторону системы электроснабжения от осточника самих колебаний. Коэффициент затуханий, при этом, увеличивается с увеличением системы электроснабжения.

1.2.3 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями КЭ:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Главная причина искажения синусоидальности кривой напряжения заключается в использовании электроприемников с нелинейной нагрузкой. К таким электроприемникам можно отнести: сталеплавильные и электродуговые печи, установки контактной и дуговой сварки, вентильные преобразователи, газоразрядные лампы и др.

Уровень искажений электронных приемников и газоразрядных ламп невелик, однако, с учетом их большого количества в электрических сетях они оказывают большое влияние. В процессе функционирования такие устройства потребляют активную мощность основной частоты, часть которой расходуется на покрытие потерь и совершение активной работы, другая часть при этом, образует поток высших гармоник, который поступает в систему электроснабжения и распространяется по ней, оказывая влияние на другие элеткроприемники.

1.2.4 Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

К источникам несимметрии напряжений и токов относят следующие:

- нетранспонированные линии электропередачи и неравномерно присоединенные однофазные бытовые нагрузки, создающие систематическую несимметрию напряжений;

- разновременно включающиеся по фазам бытовые нагрузки и др., создающие случайную несимметрию напряжений.

- потребители электрической энергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях при обрыве фазы, рабочего нуля или несимметричных коротких замыканиях.

1.2.5. Провал напряжения.

Провал напряжения характеризуется длительностью провала напряжения.

Провал напряжения -- неожиданное снижение напряжения амплитудой боллее 10% номинального значения, после которого следует восстановление уровня напряжения до первоначального значения или близкого к нему через короткий промежуток времени (от 10 миллисекунд до нескольких десятков секунд).

Длительность провала напряжения -- промежуток времени между моментом резкого снижения напряжения и моментом восстановления уровня напряжения до первоначального уровня или близкого к нему.

Причиной провала напряжения могут послужить электромагнитные переходные процессы вследствие короткого замыкания, обрыва нулевого провода или же коммутации оборудования.

1.2.6. Импульсное напряжение.

Импульс напряжения -- внезапное изменение уровня напряжения в на промежуток времени до нескольких миллисекунд, за которым следует восстановление его уровня или близкого к нему.

Импульс напряжения характеризуется такими свойствами как показателем импульсного напряжения (в В, кВ) и длительностью фронта импульса (в сек.) - обычно не более 5мс.

1.3 Последствия отклонения параметров качества электрической энергии от установленных норм

Параметры качества электрической энергии, такие как, положительное отклонения напряжения, отрицательное отклонение напряжения, отклонение частоты, несинусоидальность напряжений и несимметрия напряжений, влияют на потери электроэнергии в электрических сетях различного уровня напряжения.

В состав фактических потерь электрической энергии входят такие виды потерь, как: технические, технологические и коммерческие. Фактические потери определяют как разность количества электрической энергии, поступившей в сеть, и количества электрической энергии, отпущенной из сети и оплаченной потребителем (абонентом).

Технические потери ДW_т , вызванные расходом электрической энергии на собственные нужды электрической подстанций W_СН, и потери W_м, вызванные погрешностью измерительного оборудования электрической подстанции (приборы учета электрической энергии, измерительные трансформаторы тока и напряжения), составляют технологические потери, потому, что они вызваны технологическими потребностями в электрической энергии в результате процесса передачи электрической энергии по распределительным сетям и измерительного коммерческого учета ее количества поступления в сеть и отпуска потребителям. Такие потери электрической энергии, как коммерческие, равные , вызваны влиянием «человеческого фактора» и включают в себя случаи несанкционированного подключения к электрическим сетям новых потребителей и хищения электроэнергии, а также неоплату потребленной энергии ее потребителями.

В составе технологических потерь можно условно выделить дополнительные виды потерь, так называемые «нерациональные», обусловленные работой оборудования электрической подстанции в режимах, отличным от номинального и нормируемого. Одной из причин возникновения таких потерь электрической энергии является отклонение параметров КЭ от норм, установленных [1].

Отклонение параметров КЭ от установленных норм приводит к появлению дополнительных потерь электрической энергии. К таким потерям можно отнести объем электрической энергии, качество которой не соответствует нормативным документам или договору энергоснабжения. При этом, в таких случаях, абонент в праве не оплачивать этот объем электрической энергии. В настоящее время такая составляющая потерь при расчетах за электроэнергию не учитывается.

Дополнительные технические потери в электрической сети могут быть вызваны несинусоидальностью напряжений. При значении коэффициента несинусоидальности напряжения менее 5% дополнительные технические потери незначительны, а при возрастании K_U до 7-15%, потери от высших гармонических составляющих напряжения могут достигать 10-12% суммарных потерь мощности при ее перечаче. Максимальные потери электрической энергии от высших гармоник в системе электроснабжения возникают в резонансных режимах.

Несоответствие коэффициента несимметрии напряжения от установленных норм приводит к увеличению фактических потерь мощности и электроэнергии в электрической сети во всех ее элементах, что обусловлено протеканием токов нулевой и обратной последовательности. Например, при значении коэффициента несимметрии по обратной последовательности добавочные потери в обмотках двигателей переменного тока ДP_доп составляют около 8% всех потерь прямой последовательности ДP_осн, а при ДP_доп равны 50% потерь прямой последовательности ДP_осн [9].

Таким образом, для анализа и оценки эффективности распределения и передачи электрической энергии при отклонении параметров КЭ от установленных норм необходимо учитывать и ее дополнительные нерациональные потери.

Влияние отклонения напряжения на работу электроприемников.

ГОСТ 32144-2010 устанавливает на зажимах электроприемника допустимое установившееся отклонение напряжения в пределах 10% от номинального напряжения электрической сети (положительное и отрицательное отклонение напряжения).

Положительное отклонение напряжения приводят к снижению количества потерь напряжения и увеличению потерь мощности в электрических сетях, увеличению производительности механизмов с приводами переменного тока. Однако, стоит заметить, что срок службы электроприемников при этом сокращается. Сильнее всего это выражается на продолжительности работы ламп накаливания. Отрицательное отклонение напряжения, как правило, сказывается на снижении производительности электроприемников, увеличении потерь напряжения и снижении потерь мощности.

Для анализа и оценки возможного ущерба от отклонения вышеуказанных параметров КЭ пользуются экономическими характеристиками, отражающими зависимость возможного ущерба от значения отклонения напряжения на вводах электроприемников.

Влияние отклонения напряжения от установленных норм на потребляемую электроприемниками мощность характеризуют статическими характеристиками по напряжению. Эта зависимость, как правило, нелинейная. При небольшом отклонении напряжения его можно представлять в виде линейных зависимостей. Вид статической характеристики по напряжению характеризует регулирующий эффект нагрузки. Под термином «регулирующий эффект нагрузки» понимают изменение потребляемой полной (активной и реактивной) мощности в процентах при отклонении напряжения на 1%.

При отрицательном отклонении напряжения регулирующий эффект нагрузки способствует поддержанию уровня напряжения на приемном конце линии, т.е. на нагрузке, из-за снижения потребления мощности и, следовательно, потерь напряжения в электрической сети. Этот случай демонстрирует положительный регулирующий эффект нагрузки.

Рассмотрим влияние установившегося отклонения напряжения на работу асинхронного двигателя. Известно, что при отрицательном отклонении напряжения на зажимах двигателя на 15% от его номинального значения, электромагнитный момент снижается до 72% номинального. При длительном режиме работы при отрицательном отклонении напряжения рвном 10% срок службы асинхронного двигателя сокращается в два раза. Положительное отклонение напряжения приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности, что вызывает потери в распределительной электрической сети. При положителньом отклонении напряжения равном 1% потребление реактивной мощности (регулирующий эффект) увеличивается на 3% для асинхронных двигателей мощностью 20-100 кВт и на 5-7% для асинхронных двигателей мощностью до 20 кВт [10].

Эффективность работы осветительного оборудования также зависит от уровня напряжения на их зажимах. Установившееся отклонение напряжения оказывает влияние на такие показатели осветительных электроприемников, как световой поток ламп, освещенность территории и срок службы осветительного оборудования.

Различные типы ламп по разном влияют на отклонение параметров КЭ от установленных норм. Так, например, люминесцентные и газоразрядные лампы не так чувствительны к отклонению напряжения как лампы накаливания. При отрицательном отклонении напряжения равном 5-7% значение освещенности рабочего места снижается на 10-15% от номинального. Но при отрицательном отклонении напряжения 20% и выше работа газоразрядных ламп становится невозможной. Регулирующий эффект нагрузки по активной мощности люминесцентных ламп, включенных по схеме с расщепленной фазой, составляет чуть меньше 2%, а по реактивной мощности - около 1,5%. Для ламп ДРЛ с ПРА регулирующие эффекты нагрузки равны 1,6 по активной мощности и 4,5% по реактивной [9].

Световая отдача люминесцентных ламп снижается приблизительно пропорционально увеличению значения отрицательного отклонения напряжения. При отриыательном отклонении напрядения равном более 7-10% пуск и работа люминецентных ламп становятся ненадежными. Стоит заметить, что снижение освещенности рабочего места в результате отрицательного отклонения напряжения может привести к снижению производительности труда.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электроприемников.

Отклонение значения коэффициентов несинусоидальности напряжения по прямой и обратной последовательности влияет на работу всех видов электроприемников. Это вызвано не только дополнительным тепловым воздействием от высших гармоник тока, но, также и тем, что высшие гармоники образуют составляющие прямой последовательности (1, 4, 7-я и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8-я и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трем). Эти последовательности отличаются чередованием фаз тока (напряжения), с чем и связано отличие их влияния на работу электроприемников. В том числе, токи нулевой последовательности создают дополнительный эффект намагничивания стали в электрических машинах, что вызывает ухудшение характеристик этих электроприемников и дополнительный нагрев статоров асинхронных двигателей и магнитопроводов трансформаторов. Чаще всего, высшие гармоники напряжения, в совокупности с основной гармоникой, способствуют увеличению установившегося отклонения напряжения на зажимах ЭП.

Высшие гармоники тока и напряжения оказывают отрицательное воздействие на работу электрооборудования, создавая дополнительные нерациональные потери в электрических двигателях, трансформаторах и электрических сетях, сокращают срок службы изоляции электроприемников, повышают вероятность аварий электрических распределительных сетях, вызывают сбои в работе систем автоматики, релейной защиты, связи и телемеханики.

От высших гармоник тока и напряжения зависит также и значения коэффициента мощности, вращающего момента электрических двигателей. Тем не менее, снижение этих характеристик, даже при коэффициенте несинусоидальности напряжения 10-15%, оказывается незначительным. Уровень дополнительных фактических потерь от высших гармоник в электрических сетях составляет несколько % от величины потерь при синусоидальном напряжении. В сетях крупных промышленных предприятий эти потери могут достигать 10-15% от величины технических потерь [11].

Сильное влияние высшие гармоники оказывают на кабельные линии. Отклонение коэффициента искажения синусоидальности от норм, установленных [1] приводит к преждевременному старению изоляции кабельных линий.

Состояние диэлектрика кабельных лиинй характеризуется величиной тока утечки, определяющим количество потерь в изоляции кабельных линий. Измерениями [9] доказано, что при значении коэффициента искажения синусоидальности 6,85% за 2,5 года значение тока утечки возрастает на 36%, а через 3,5 года увеличивается до 43%.

Увеличение коэффициента несинусоидальности напряжения приводит к старению изоляции электрических машин, трансформаторов, кабельных линий и конденсаторов, что связано с повышенным нагревом токоведущих частей, а также с другими физико-химическими процессами, протекающими вследствие воздействия электрических полей, вызванных высшими гармониками.

Снижение срока службы вращающихся машин связано, прежде всего, превышением температуры обмоток по сравнению с допустимыми значениями, что вызывает преждевременное старение изоляции. Увеличение нагрева обмоток связан с одновременным воздействием температуры окружающей среды, установившимся отклонением напряжения, относительной загрузкой машины по мощности, напряжением обратной последовательности и высших гармоник. Четыре из последних вышеуказанных параметра вызывают увеличение температуры обмоток по сравнению с температурой окружающей среды.

Максимальный нагрев происходит в результате полной загрузки двигателя и максимально допустимом значении отрицательного отклонения напряжения 10%. При таких условиях другие факторы увеличения температуры приведут к недопустимому перегреву обмоток. При снижении уровня загрузки двигателя и увеличении положительного отклонения напряжения на его зажимах возникает запас температурного воздействия, в пределах которого допускается воздействие определенного значения напряжения обратной последовательности и высших гармоник. Ток высших гармоник и обратной последовательности определяется не только значением тока напряжением высших гармоник и напряжением обратной последовательности, но и кратностью пускового тока, поэтому допустимые значения напряжений высших гармоник и обратной последовательности зависят от типа двигателя и его параметров. В результате исследований [12] установлены значения запаса температурного воздействия по загрузке двигателя и по отклонению напряжения (таблицы 8-9)

Таблица 8 Запас температурного воздействия по загрузке двигателя

Загрузка , %	100	90	80	70	60
Запас , %	0	3,3-5,2	5,9-9,2	7,2-12	8,7-13,6

Таблица 9 Запас температурного воздействия по отклонению напряжения

Отклонение напряжения , %	-5	0	+5	+10
Запас , %	0	5,5-8,5	6,9-10,5	7,2-11,1

Можно сделать вывод, что допустимые параметры электрической энергии с точки зрения нагрева обмоток электрических машин не ограничиваются допустимыми значениями параметров КЭ, установленными в стандартами для сетей общего назначения.

Дополнительные нерациональные потери активной мощности, вызванные превышением значений коэффициентов искажения синусоидальности и несимметрии, не зависят от загрузки двигателя и определятся формулой [10]:

(4)

где - потери в меди статора при номинальном токе основной частоты;

- кратность пускового тока при номинальном напряжении основной частоты;

- коэффициент несимметрии напряжений, равный отношению напряжения обратной последовательности к номинальному;

- отношение напряжения н-й гармоники к номинальному; знак «+» под знаком корня соответствует симметричным составляющим гармоник, создающим поля вращения, встречные полю основной гармоники, а знак «-» - попутные.

Для практических расчетов дополнительных потерь можно использовать следующее выражение [11]:

 (5)

где - номинальная мощность машины.

Для асинхронных двигателей значения коэффициентов и определяют по формулам [13]:

(6)

(7)

Коэффициент зависит от номинальной мощности асинхронного двигателя и определяется выражениями:

(8)

Увеличение нагрева обмоток асинхронного двигателя, вызванное увеличением значений коэффициентов искажения синусоидальности и несимметрии, можно рассчитать по формуле:

(9)

гдеB - тепловой параметр асинхронного двигателя.

Срок службы изоляции можно вычислить при помощи выражения [10]

(10)

гдеC и b - постоянные коэффициенты для данного вида изоляции;

и - температура изоляции.

Относительный срок службы изоляции при температуре и:

(11)

где - срок службы изоляции при номинальной температуре;

- превышение температуры.

Чаще используют другую формулу для определения срока службы изоляции:

(12)

Характеристика, значение которой обратно пропорционально z, называется кратностью снижения срока службы:

(13)

где - коэффициент искажения.

Для асинхронных двигателей кратность срока службы определяется формулой:

(14)

Дополнительные нерациональные потери активной мощности в силовых трансформаторах связаны с протеканием в них тока высших гармоник и тока обратной последовательности.

К основным элементам электрической сети, помимо силовых трансформаторов, можно отнести линии электропередачи. Поэтому режимы работы электрических сетей при высоких значениях коэффициентов искажения синусоидальности напряжения и коэффициента несимметрии обусловлены протеканием по линиям токов высших гармоник и токов обратной последовательности.

Суммарные потери в линии электропередачи при несимметричном и несинусоидальном режиме работы электрической сети можно вычислить по формуле:

(15)

где I₁ и I₂ - действующие значения токов прямой и обратной последовательностей.

Влияние несимметрии напряжения на оборудование.

Несимметричный режим работы электрических сетей предприятия обусловлен наличием в системе электроснабжения мощных однофазных потребителей (нагревательных и индукционных плавильных печей, печей электрошлакового переплава, сварочных агрегатов), а также трехфазных потребителей, длительное время работающих в несимметричном режиме. Трехфазная система напряжений может работать в несимметричном режиме при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

В случае работы электрической сети в несимметричном режиме возникают дополнительные потери в отдельных ее элементах, снижается срок службы осветительного оборудования, а также, снижаются экономические показатели работы технологического оборудования.

При работе электрических машин переменного тока в несимметричном режиме возникают магнитные поля, вращающиеся не только в направлении вращения ротора, но и в противоположном. В результате этого эффекта возникает тормозной электромагнитный момент, сопровождаемый дополнительным нагревом активных частей машины, в основном ротора, за счет токов двойной частоты.

В асинхронном двигателе при значении коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности ниже 0,05%, снижение вращающегося момента асинхронного двигателя пренебрежимо мало. В большей мере влияние несимметрии при работе асинхронных двигателей сказывается на увеличении потерь в электродвигателей, и, соответственно, на увеличении нагрева и сокращении срока службы изоляции.

В заключение главы можно сделать вывод, что с учетом процесса постоянного расширения производства, совершенствования технологий, увеличения нагрузки на ЭЭС, возникает проблема необходимости повышения эффективности управления, а, следовательно, и внедрения современных информационных систем мониторинга и контроля основных процессов ЭЭС, в том числе, мониторинга показателей КЭ.

Важной составляющей мониторинга, контроля и управления потоками электроэнергии является оценка КЭ. Значительное число различающихся по области задания показателей качества электрической энергии, с одной стороны, и противоречивость применяемых оценок состояния оборудования, с другой, - приводят к значительным трудностям комплексной оценки энергетической системы в целом, диктуют необходимость и обуславливают целесообразность привлечения для оценки КЭ современных методов обработки информации.

Эффективное управление ЭЭС можно обеспечить только на основе ограниченного до разумных пределов, обусловленных возможностями восприятия и анализа информации человеком, количества непротиворечивых оценок, интегрирующих все сведения о состоянии управляемого объекта в соответствии с принципами интеграции и комплексирования в единую оценку, по которой может быть принято объективное решение по управлению.

Как объект автоматизации ЭЭС представляет собой сложную взаимосвязанную динамическую систему, основными регистрируемыми, контролируемыми и управляемыми координатами которой являются основные показатели качества электроэнергии.

ГЛАВА 2. Анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения городов-миллионников

2.1 Характерные особенности системы электроснабжения городов-миллиоников

В современных отечественных системах электроснабжения городов-миллионников применяют все номинальные напряжения переменного тока -- от 0,38 до 220 -- 380 В. Напряжения до 1 кВ применяют для распределения электроэнергии в ограниченных районах территории города (десятки -- сотни метров), внутри жилых и производственных зданий и для непосредственного присоединения электроприемников. В проектируемых и реконструируемых электрических сетях всех назначений должно применяться линейное напряжение 380 В.

Напряжение 660 В предназначено для применения в системах электроснабжения некоторых промышленных предприятий. В перспективе возможно применение этого напряжения в многоэтажных зданиях большого объема для крупных двигателей централизованных установок кондиционирования воздуха, таких же установок насосов холодной и горячей воды, грузовых и грузопассажирских скоростных лифтов и т. п.; магистральных внутридомовых линий, питающих трансформаторы 660/380 -- 220 В, рассредоточенно устанавливаемые по этажам зданий. Напряжения 10(6) -- 20 кВ применяют для распределения электроэнергии от источника питания по прилегающей к ним территории города и для питания ТП 10(6) -- 20 кВ. Напряжение 10 кВ является основным на современный и ближайший перспективный периоды для вновь сооружаемых и реконструируемых систем электроснабжения городов. Напряжение 6 кВ, как правило, не должно применяться во вновь проектируемых и реконструируемых системах ЭСГ.

Применение напряжения 20 кВ экономически оправдано: при стоимости кабелей, выключателей и трансформаторов этого напряжения не более 120--130% стоимости соответствующего оборудования 10 кВ; в новых районах, питающихся от городских электростанций с генераторным напряжением 20 кВ; при плотностях нагрузки 3040 МВт/км2 и более, при питании от подстанций 220/20 кВ; при комплексном электроснабжении некрупных городов и прилегающих обширных сельскохозяйственных районов от понижающих подстанций 110-220/20 кВ. Номинальное напряжение 110 кВ и выше применяется в системах ЭСГ для внешнего электроснабжения, а также для главного ввода в центральные районы города.

Выбор высших номинальных напряжений связан с выбором числа трансформаций электроэнергии между этими напряжениями и напряжением до 1 кВ; экономически целесообразным является использование двух трансформаций электроэнергии.

Напряжение 35 кВ не рекомендуется для применения в системах ЭСГ как недостаточное по пропускной способности и приводящее, как правило, к необходимости дополнительной трансформации электроэнергии. Напряжения 110 и 220 кВ экономически целесообразно применять для внешнего электроснабжения основной массы средних, больших и крупных городов.

Система электроснабжения многоступенчата и иерархична. Ее можно считать многоуровневой. Выделяют следующие уровни: отдельный электроприемник (первый уровень), распределительный щит напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока (второй уровень), шины низкого напряжения трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ (третий уровень), шины распределительной подстанции (четвертый уровень), шины ГПП или ПГВ (пятый уровень), границы раздела собственности предприятия и электроснабжающей организации (ЭСО) (шестой уровень).

Системы электроснабжения делят на системы внешнего и внутреннего электроснабжения. В свою очередь системы внутреннего электроснабжения делятся на высоковольтные и низковольтные. Система внешнего электроснабжения включает в себя источники питания, пункт приема электроэнергии и питающие линии (линии связи). Система внутреннего электроснабжения включает шины НН пунктов приема электроэнергии (6-10 кВ как правило), РП, КТП, кабельные линии и (или) токопроводы, (высоковольтная), шины НН КТП, шинопроводы, распределительные щиты и шкафы, кабели и провода, электропривод электроприемника (низковольтная).

Системы электроснабжения делятся на ступенчатые (нет РП) и двухступенчатые (есть РП).

Основные требования к системам электроснабжения: надежность электроснабжения, безопасность, экологичность, экономичность, учет технологических особенностей.

Что касается технических аспектов в области развития городских электрических сетей, то главных целевым критерием в этом вопросе является безусловное обеспечение надёжности электроснабжения городских потребителей в соответствии их категорийностью. При этом в обязательном порядке необходимо учитывать повышенные требования к потребителям крупных огородов, которые обусловлены:

- высотной застройкой; наличием развитой транспортной инфраструктуры;

- множеством особо важных объектов, в том числе относящихся к общественной безопасности и иных категорированных потребителей.

Новое строительство, реконструкция и техническое перевооружение городских электрических сетей, с плотностью нагрузки потребителей значительно превышающих 8 МВт/км2, должно осуществляться путем формирования на территории города «территориальных электрических колец напряжением 35 кВ» (рисунок 2). Кольца состоят из параллельно проложенных двух кабельных линий электропередачи, каждый из которых подключается к разным секциям центров питания напряжением 330 110/35/10 кВ.

В местах слабой концентрации нагрузок потребителей на территории города возможно формирование аналогичных «территориальных электрических колец напряжением 10 кВ» от разных секций центров питания напряжением 110 35/10 кВ.

Количество таких колец на территории города определяется расчетным путем исходя из концентрации нагрузок потребителей, размещения источников питания и категорийности потребителей.

Рис. 2. Территориальные энергетические кольца

К «территориальным электрическим кольцам напряжением 35 кВ» нагрузка потребителей присоединяется посредством упрощенных двухтрансформаторных подстанций напряжения 35/10 кВ, к которым подключаются распределительные пункты 10 кВ.

К «территориальным электрическим кольцам напряжением 10 кВ» нагрузка потребителей подключается по принципу магистрали с отбором мощности через соединительные пункты, к которым подключаются распределительные пункты 10 кВ.

Присоединение крупных промышленных потребителей к соответствующим «территориальным электрическим кольцам» осуществляется по «глубоким вводам» напряжением 35/10 кВ, 35/0,4 кВ или 10/0,4 кВ.

Построение распределительной многолучевой сети напряжением 10 кВ необходимо выполнять по двухлучевой встречной схеме, то есть питание разных секции одной ТП осуществлять от разных (независимых) взаиморезервируемых секций одного или двух РП по разным трассам (рисунок 3).

Рис. 3. Двухлучевая встречная схема

Повышение надежности работы уже существующих, столь разных схем городских электрических сетей, для обеспечения в такой ситуации требований к электроснабжению потребителей 1 и 2 категорий, возможно с использованием аналогичного принципа (что и для новой сети). Для этого необходимо организовывать сетевые поперечные связи между схемами рядом расположенных РП. Назовем условно эти связи поперечными.

В то же время, для решения проблемы сверхнормативной перегрузки оборудования и линий электропередачи в отдельных режимах работы существующей сети, в ряде случаев данного мероприятия может оказаться недостаточно - придется сооружать новые РКЛ для обеспечения питания секций каждого РП от независимых источников. Тем не менее, такие мероприятия несравненно дешевле и реализуются гораздо быстрее, чем строительство новых сетей.

Построение схем городской электрической сети по указанным подходам (принципам) позволяет получить единую распределительную сеть 35, 10 кВ, питание которой осуществляется от нескольких источников. Следовательно, жестко соблюдаются требования обеспечения резервирования нагрузки этих источников и возможности маневра потоками мощностей между ними для решения многих ранее неразрешимых проблем, связанных с загрузкой оборудования.

Реализация изложенных выше схем электроснабжения городской электрической сети возможно только при условии применения высокотехнологичного малообслуживаемого оборудования и устройств.

В распределительных устройствах напряжением 35 кВ упрощенных двухтрансформаторных подстанций напряжения 35/10 кВ и 35/0,4 кВ должен применяться вакуумный реклоузер (выключатель) серии РВА/TEL-35.

Для этих целей разработаны Технические проектные решения в части технико-экономического обоснования и применения рабочей документации по установке вакуумного реклоузера (выключателя) PBA/TEL-35 на существующих подстанциях с высшим и средним напряжением 35 кВ при их реконструкции, техническом перевооружении и модернизации с заменой выключателей 35 кВ и блоков «отделитель - короткозамыкатель», а также устройства пунктов секционирования и резервирования на магистралях и перемычках (ответвлениях) линий электропередачи 35 кВ.

Данные типовые проектные решения могут в полной мере быть использованы при проектировании новых ПС с РУ-35 кВ в качестве блока «вакуумный выключатель 35кВ», а также новых ЛЭП-35 кВ в качестве блока «вакуумный реклоузер 35кВ».

Типовые проектные решения разработаны в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.

Для вводных, секционирующих и отходящих ячеек распределительных устройств напряжением 10 кВ подстанций 35/10 кВ, распределительных и соединительных пунктов напряжением 10 кВ необходимо применять комплектные распределительные устройства серий «Вертикаль» и КРУ/TEL, в которых используется вакуумный выключатель серии ВВ/TEL.

Под эти комплектные распределительные устройства разработаны Типовые проектные решения строительной части закрытых сооружений, строительный объем и площадь застройки которых на 71% и 50% соответственно меньше, чем аналогичных сооружений, где используется традиционное оборудование. Экономический эффект от применения таких закрытых распределительных устройств находится в пределах 300-500 тыс. грн на одно сооружение.