Электрические сети энергоемких предприятий - Требования к качеству электроэнергии

1-7. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В системах трехфазного тока качество электроэнергии в основном определяется отклонениями и колебаниями напряжения и частоты от установленных норм, а также зависит от несинусоидальности формы кривой напряжения, смещения нейтрали и несимметрии напряжений основной частоты. Отклонения этих показателей от установленных норм могут привести к заметному народнохозяйственному ущербу [Л. 2].
Таблица 1-4 Сопоставление режимов сетей 660 в с изолированной и заземленной нейтралью

а) Уровни и отклонений, напряжения. При отклонениях напряжения от нормативных значений нарушается режим работы электротехнического оборудования, что вызывает преждевременный его износ и порчу, ухудшается технология производства, а при понижении напряжения увеличиваются потери электроэнергии в электрооборудовании и электросетях. В ГОСТ 13109-67 на нормы качества электрической энергии регламентированы следующие отклонения напряжения от номинального на зажимах электроприемников:
у приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, а также в прожекторных установках наружного освещения, от —2,5 до +5%;
у электрических двигателей и аппаратов для их пуска и управления — от —6 до +10%;
у остальных электроприемников ±5%.
В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.
Отклонениями напряжения называются относительно медленно протекающие изменения напряжения, когда скорость изменения его меньше 1% в секунду. Они обусловливаются изменениями режимов напряжения центра питания (ЦП) и режимов нагрузок сети. При изменениях режима работы электроприемников изменяются токи в сети и, следовательно, потери напряжения в ней. Согласно ПУЭ «центром питания (ЦП) называется распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, имеющей устройство для регулирования напряжения, к которому присоединены распределительные сети района». С точки зрения регулирования напряжения под ЦП можно понимать также распределительные устройства вторичного напряжения ГПП или ПГВ, поскольку они являются центрами питания предприятий или их отдельных районов.
Отклонения или колебания напряжения б Uc в какой-либо точке с сети определяются разницей в процентах между фактическим Uc и номинальным UBом напряжениями:

Отклонение напряжения б C/2t % в конце линии для данного момента времени t может быть определено по следующей формуле:

где 6£/ц—отклонение напряжения в начале линии, %; AUt—потери напряжения в линии, %.
В общем виде Последнее уравнение для одной ступени напряжения может быть представлено следующим образом:

где ZSUi — алгебраическая сумма «добавок» напряжения, т. е. сумма отклонений напряжения, создаваемых центром питания и регулирующими устройствами, если последние установлены в цепи между ЦП и данной точкой; 2AUt—сумма потерь напряжения в цепи от ЦП до данной точки; бUct—отклонение напряжения в точке с в момент времени t.
Под «добавками» напряжения рассматриваются: отклонения напряжения в начальной точке расчетной цепи, например на шинах центра питания, создаваемые силовыми трансформаторами; отклонения напряжения, создаваемые регулирующими устройствами, установленными в сети, а также отклонения напряжения, создаваемые цеховыми трансформаторами. Добавки могут быть как положительными, так и отрицательными.
б) Регулирование напряжения. Для улучшения режимов напряжения в системах электроснабжения промпредприятий необходимо предусматривать целый комплекс мероприятий. Выбор способов и средств регулирования напряжения производится одновременно и совместно с выбором схемы электроснабжения с учетом факторов, перечисленных ниже. Учитывается также наличие регулирующих устройств у трансформаторов технологических агрегатов (электропечей, выпрямительных устройств и т. п.). Выбор базируется на анализе режимов напряжения на питающем центре и режимов нагрузок линий, отходящих от этого центра.
В первую очередь следует -рассматривать мероприятия, не требующие установки специальных регулирующих устройств. К таким мероприятиям относятся следующие:

1. Рациональное построение всей системы электроснабжения и электрических сетей с применением глубоких вводов и дробления подстанций на всех ступенях, с тем чтобы максимально приблизить их к соответствующим группам потребителей.
2. Наиболее полное использование средств компенсации реактивной мощности, предусмотренных на данном предприятии, и их правильное размещение, исходя из условия наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок. Для этой цели целесообразна установка относительно большей мощности конденсаторов на участках с максимальными реактивными нагрузками и наибольшими сопротивлениями питающих линий. Это обеспечивает повышение уровня напряжения в большей степени в тех частях сети, где это напряжение в силу упомянутых факторов получается ниже. Применение синхронных двигателей также улучшает общий режим напряжения в сети. Целесообразное сочетание авторегулируемых компенсирующих установок и специальных устройств для регулирования напряжения в тех или иных точках сети определяется на основе технико-экономических расчетов; при этом основным критерием является минимум приведенных затрат при соблюдении экономического эффекта от улучшения режима напряжений у электроприемников.
3. Использование связей во вторичной распределительной сети между подстанциями, позволяющих отключать часть трансформаторов при минимальных нагрузках или переводить питание дежурного освещения на отдельные трансформаторы малой мощности в часы минимума нагрузок.
4. Правильный выбор ответвлений у нерегулируемых под нагрузкой трансформаторов в зависимости от их места в сети и режима работы.

Наиболее целесообразным является такой выбор ответвлений, при котором получаются наименьшие отклонения напряжения у электроприемников и одновременно наименьшие потери в сети. Этот способ регулирования наиболее простой и дешевый, но он не может быть использован для повседневного суточного регулирования, так как каждая перестановка ответвлений связана с отключением трансформатора и, следовательно, с перерывом в питании. Он может быть применен только для сезонного регулирования напряжения.
К специальным средствам регулирования напряжения на предприятиях в первую очередь относятся понизительные трансформаторы на ГПП и ПГВ с автоматическим регулированием напряжения под нагрузкой (рис. 1-13,а). При реконструкции электроснабжения на существующих подстанциях 110—220 кВ, имеющих нерегулируемые под нагрузкой трансформаторы, последовательно с ними устанавливаются вольтодобавочные трансформаторы. На сооружаемых подстанциях их применять не следует, так как это значительно удорожает установку в целом. При разнородных и разноудаленных нагрузках, а также при наличии электроприемников, особо чувствительных к отклонениям напряжения, дополнительно к средствам регулирования, указанным выше, предусматривается местное групповое или индивидуальное регулирование на отдельных линиях или у электроприемников. Оно выполняется при помощи линейных регуляторов (рис. 1-13,6), синхронных электродвигателей с авторегулируемым током возбуждения, автоматизированных конденсаторных установок.

Рис. 1-13. Схемы регулирования напряжения. а — централизованное регулирование на ПГВ; б — применение линейных регуляторов; в — применение цеховых регулируемых трансформаторов.
При общих трансформаторах для питания силовых и осветительных нагрузок иногда целесообразно применение автоматических линейных регуляторов небольшой мощности для питания освещения. Цеховые авторегулируемые под нагрузкой трансформаторы (рис. 1-13, в), как правило, неэкономичны. Их целесообразно применять лишь в тех случаях, когда другие перечисленные выше средства регулирования оказываются недостаточными или же менее экономичными.
Индивидуальные устройства дают возможность независимого регулирования и поддержания уровней напряжения на отдельных элементах системы электроснабжения в соответствии с изменениями их нагрузки независимо от отклонений напряжения на сборных шинах питающего центра. Но они дороже как в электрической, так и в строительной частях подстанций.
Система глубоких вводов и дробления подстанций 110—220 кВ на крупных промышленных предприятиях значительно облегчила задачу регулирования, напряжения. Подстанции 110 кВ глубоких вводов располагаются в центрах нагрузок соответствующих более или менее локализованных групп электроприемников (рис. 1-13,а), и благодаря этому нет такой резкой разницы в степени удаленности цеховых л/ст. 1, 2 и 3, питаемых от таких разукрупненных подстанций, и степени разнородности режима их работы, как при системе крупных ГПП. Напряжения U1, U2 на шинах цеховых подстанций не отличаются значительно одно от другого. Благодаря этому облегчаются мероприятия по регулированию напряжения. Поэтому авторегулируемые трансформаторы на разукрупненных подстанциях глубоких вводов 110— 220 кВ в сочетании с автоматизированными конденсаторными батареями во многих случаях могут обеспечивать достаточное качество напряжения на шинах цеховых подстанций без применения упомянутых выше дополнительных средств регулирования. Однако эти два способа регулирования должны быть согласованы во избежание ложного действия РПН трансформаторов.
Согласно ПУЭ встречным регулированием напряжения называется такое регулирование, при котором на шинах электростанций и понизительных подстанций в часы максимума нагрузки поддерживается повышенное, а в часы минимума нагрузки — пониженное напряжение.

Рис. 1-14. Зависимости.
------ при максимальных нагрузках; —---- — —
при минимальных нагрузка.
При встречном регулировании верхний предел напряжения в период максимума рекомендуется всегда, когда это допустимо и целесообразно в соответствии с ПУЭ, поднимать до 10%, если при этом отклонение напряжения у ближайших электроприемников не превысит нормативного. Нижний предел напряжения определяется расчетом в зависимости от величины AU"B.
Для обеспечения надлежащих уровней напряжения на всех подстанциях должен производиться систематический контроль напряжения одновременно с контролем нагрузки трансформаторов и режима компенсирующих устройств при наличии их.

Рис. 1-15. Графики напряжения на шинах 6—10 кВ ЦРП крупного завода.
При чрезмерном повышении напряжения сети, в частности в ночной период, в первую очередь следует отключить компенсирующие устройства.
Для этой цели предусматривается автоматическое управление компенсирующими установками в функции напряжения или времени суток (см. §1-8).
На рис. 1-15 представлены реальные графики напряжения на шинах 6 кВ трех ЦРП крупного действующего машиностроительно го завода, иллюстрирующие фактическое состояние уровней напряжения на этом предприятии. Из этих графиков видно, что на двух ЦРП (кривые 1 и 2) напряжение колеблется от 100 до 106,5%, если не считать кратковременного всплеска до 109,5% на одной из них в ночной период. На третьей ЦРП (кривая 3) напряжение колеблется от 103 до 96,5%. Положение нельзя назвать благополучным, так как в часы наибольших нагрузок уровень напряжения на ЦРП низок и, следовательно, на шинах цеховых подстанций и непосредственно у электроприемников он не будет удовлетворять установленным нормам.
в) Колебаниями напряжения называются быстро протекающие кратковременные изменения напряжения, возникающие при резком нарушении (параметров нормального режима, вызываемом работой электроприемников, когда скорость изменения напряжения не меньше 1 % в секунду. Эти колебания происходят при пусках электродвигателей, внезапном отключении или включении крупных нагрузок, работе электроприемников с быстропеременной ударной нагрузкой и т. п. Это вызывает резкие и частые изменения активной и реактивной мощностей, потребляемых ими из сети, и соответственные колебания напряжений в ней, а иногда (при маломощных источниках энергии) также колебания частоты. Характерными примерами таких электроприемников являются крупные синхронные двигатели преобразовательных агрегатов прокатных станов и крупные дуговые электропечи. Например, слябинг при среднеквадратичной потребляемой мощности 20 000 кВА дает толчковые колебания нагрузки 0—40000 кВА до 17 раз в течение 1 мин; при работе главных приводов станов горячей прокатки при среднеквадратичной потребляемой мощности 65 000 кВА получаются колебания мощности от 0 до 90 000—100 000 кВА через каждые 2 мин. Дуговые электропечи дают набросы нагрузок в 3—3,5 раза.
Наиболее тяжелые условия получаются при ионном или тиристорном приводе, так в этом случае электродвигатели постоянного тока прокатного стана питаются через управляемый выпрямитель непосредственно от сети переменного тока. Следовательно, набросы мощности немедленно передаются в сеть переменного тока без демпфирования инерционными массами машинного преобразователя; сглаживание фронта изменения мощности отсутствует. Крупные сварочные аппараты также вызывают резкие и частые толчки нагрузки. Наиболее опасными для колебаний напряжения являются реактивные нагрузки в сетях 6—10 кВ, так как активная слагающая потери напряжения в этих сетях очень невелика. Эти колебания напряжения крайне неблагоприятно отражаются на работе других электроприемников, приключенных к данной сети. Особенно остро это оказывается в период пуска предприятия, когда источники питания еще не доведены полностью до их проектной мощности.
Согласно ГОСТ 13109-67 на нормы качества электрической энергии допускаемые величины колебаний напряжения на зажимах осветительных ламп и радиоприборов U выраженные в процентах, сверх допускаемых отклонений напряжения определяются в зависимости от частоты их повторений по формуле

где п — число колебаний в час; At — средний за час интервал между последующими колебаниями, мин.

Рис. 1-16. Зависимость допускаемой величины колебаний напряжения от их частоты.
Эта зависимость приведена на рис. 1-16. В отдельных случаях, в частности в сетях металлургических заводов с прокатными станами, ГОСТ допускает колебания напряжения до 1,5% при неограниченной их частоте. Для остальных приемников электрической энергии колебания напряжения не нормируются.
Из сказанного вытекает, что при проектировании электроснабжения и электроустановок с толчковыми нагрузками необходимо учитывать условия работы этих электроустановок, с одной стороны, и возможности электросети в точках их присоединения, с другой стороны. Эта задача должна решаться комплексно совместно с определением типа и параметров электропривода и выбором схемных и конструктивных решений системы электроснабжения. Необходимо производить подробный анализ режимов работы электроприемников с резкопеременной ударной и вентильной нагрузками, определять их влияние на систему электроснабжения и тщательно рассчитывать колебания напряжения в питающих сетях и характерных узлах нагрузок. Должны прорабатываться комплексные мероприятия по ограничению величины набросов реактивной мощности и, в частности, рассматриваться способы уменьшения толчков и ограничения величины реактивной мощности, потребляемой вентильными преобразователями при работе с глубоким регулированием. Рекомендуются электроприводы с пониженным потреблением реактивной мощности с применением встречно-последовательного управления преобразователями, несимметричных систем сеточного управления, схем искусственной коммутации, двухзонного регулирования, специальных трансформаторных агрегатов, включающих анодный трансформатор и встроенный управляемый источник реактивной мощности.
При проектировании собственно электроснабжения рекомендуются следующие мероприятия по ограничению влияния ударных нагрузок на других потребителей:
Уменьшение реактивного сопротивления линий, идущих к электроприемникам с толчковой нагрузкой (ограничение реактивности реакторов, отказ от шинопроводов); при этом применяются выключатели с повышенным отключаемым током в связи с увеличением тока короткого замыкания.
Питание электроприемников с толчковой нагрузкой от основных источников, минуя промежуточные РП или цеховые подстанции, если даже последние находятся неподалеку.
Раздельное питание «толчковых» и «спокойных» нагрузок. В некоторых случаях хорошие результаты дает присоединение толчковых и спокойных нагрузок к разным ветвям расщепленной обмотки трансформатора или же на разные плечи сдвоенных реакторов. Путем расчета можно подобрать параметры сдвоенного реактора, необходимые для стабилизации напряжения на ветви, от которой питаются «спокойные» нагрузки [Л. 2].
Применение продольной компенсации путем последовательного включения конденсаторов в линию. Это особенно целесообразно при сварочных нагрузках, так как стабилизация напряжения необходима также для работы сварочных машин.
Из новых мероприятий для снижения толчков реактивной мощности рекомендуются следующие:
Синхронные компенсаторы со специальными параметрами с быстродействующим (тиристорным) возбуждением с потолком форсировки 3 и более.
Синхронные двигатели, имеющие свободную располагаемую реактивную мощность для ограничения влияния ударных и вентильных циклических нагрузок.
Автоматические быстродействующие регуляторы возбуждения для синхронных двигателей, получающих питание от общих шин с ударными нагрузками. Система АРВ, в частности, должна обеспечивать:
а) устранение колебаний напряжения в системе электроснабжения, обусловленных изменениями нагрузки на валу двигателя;
б) демпфирование колебаний ротора;
в) повышение статической перегрузочной способности двигателя.
Разрабатываются новые быстродействующие источники реактивной мощности, устраняющие влияние ударных нагрузок на качество электроэнергии у других потребителей:
а) с искусственной коммутацией вентилей;
б) с параллельным включением регулируемой индуктивности (реакторы с вращающимся полем) и нерегулируемой емкости;
в) конденсаторных батарей с вентильным устройством быстродействующего регулирования мощности их и др.
Возможно также применение двухобмоточных управляемых реакторов с вращающимся полем с плавным регулированием индуктивного сопротивления. Применение этой схемы целесообразно для питания дуговых электропечей средней мощности. При проектировании электроснабжения необходимо также учитывать и производить оценку возможных искажений формы кривой напряжения питающей сети. Большое влияние на форму напряжения сети оказывает коммутация вентилей статических преобразователей, имеющих большое применение на энергоемких предприятиях. Это влияние количественно можно оценить по мощности и реактивности питающей сети, с одной стороны, и преобразовательного агрегата, с другой стороны. Величина искажения формы напряжения тем больше, чем больше отношение реактивного сопротивления питающей сети к реактивному сопротивлению трансформатора вентильного преобразователя [Л. 36]. Если мощность сети значительно превышает мощность вентильного преобразователя, то искажения напряжения сети будут незначительны. Для повышения качества напряжения следует предусматривать также мероприятия по снижению уровней гармоник путем применения 12-фазных схем выпрямления, питания устройств сеточного и фазового управления синусоидальным напряжением с минимальным искажением формы кривой напряжения, а также путем обеспечения наилучших условий для локализации распространения гармоник по сети и т. п.
г) Требования к частоте. Согласно действующему ГОСТ на нормы качества электроэнергии отклонения частоты от установленного в СССР ее номинального значения может быть допущено в пределах не более ±0,1 Гц при нормальном режиме работы электрической сети. Допускаются временная работа энергетической системы, а также работа отделившейся части энергосистемы, не имеющей автоматического регулирования частоты, с отклонениями частоты до ±0,2 Гц. Такие же отклонения допущены в Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей. Колебания частоты согласно упомянутому выше ГОСТ не должны превышать 0,2 Гц сверх отклонений частоты, указанных выше. Приведенные нормы не распространяются на период послеаварийного восстановления частоты в энергосистеме.