Глава пятая.
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ И ВЕНТИЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ.
5-1. Основные положения.
Качество электроэнергии тесно связано с надежностью электроснабжения.
Несоблюдение показателей качества, нормированных ГОСТ 13109-67, наносит ущерб народному хозяйству, вызывает порчу материалов и может приводить к расстройствам технологических процессов производства, к повреждениям оборудования.
При понижении качества электроэнергии увеличиваются ее расход и потери в сетях энергосистем, нарушается нормальное действие многих бытовых электроприемников и зачастую становится невозможной работа ЭВМ в системах автоматизированного управления производством.
Соблюдение нормативных показателей качества является необходимым и важным условием, которое обязан выполнять проектировщик при создании проекта электроснабжения промышленного предприятия.
Показатели качества представляют собой физические величины, которые можно контролировать с помощью приборов. Выполнение необходимых режимных мероприятий и использование технических средств, предназначенных для поддержания нормативных значений этих показателей, повышают культуру эксплуатации энергетических установок.
Обеспечение надлежащего качества электроэнергии ведет к повышению эффективности общественного производства. При выборе путей решения этой проблемы следует исходить из сопоставления ожидаемого эффекта от намеченных мероприятий по улучшению качества энергии и неизбежных при этом дополнительных затрат.
Укрупнение энергосистем, увеличение мощности электрических станций и развитие сетей приводят к уменьшению сопротивления цепи, по которой электроэнергия поступает к электроприемникам, и способствует повышению качества электроэнергии. С другой стороны, малое сопротивление цепи порождает большие токи к. з. В современных энергосистемах токи к. з. достигают такого значения, что нельзя обойтись без их ограничения. Однако применяемые мероприятия (деление сети, увеличение реактивного сопротивления трансформаторов и др.) увеличивают сопротивление цепи, т. е. создают предпосылки для ухудшения качества электроэнергии. Это противоречие можно разрешить применением новых способов ограничения токов к. з. на основе устройств, имеющих малое сопротивление в нормальном режиме и большое при к. з. Поскольку такие устройства еще не производятся, возникают компромиссные решения, учитывающие оба противоречивых фактора.
Интенсификация производственных процессов, повышение производительности труда на современных промышленных предприятиях связаны с совершенствованием существующей и внедрением новой передовой технологии производства. Этому процессу сопутствует широкое внедрение вентильных преобразователей, мощных электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей своей технологической эффективности оказывают существенное (превосходящее нормы ГОСТ 13109-67) отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.
При оценке целесообразности применения тех или иных электроприемников, в частности, должна приниматься во внимание необходимость использования дополнительных устройств, предотвращающих ухудшение качества электрической энергии.
Следовательно, качество электрической энергии в любой точке питающей сети зависит от взаимодействия двух основных элементов: системы электроснабжения и приемников электрической энергии.
В данной главе рассматривается в основном то влияние, которое оказывают на качество электрической энергии в питающей сети приемники электрической энергии.
Необходимые нормы качества электрической энергии могут быть достигнуты уже на стадии проектирования электроснабжения промпредприятий путем соответствующих расчетов и применения специальных технических средств.
ГОСТ 13109-67 нормирует следующие показатели качества электрической энергии на выводах электроприемников общего назначения:
отклонение напряжения; колебание напряжения; несинусоидальность формы кривой напряжения; отклонение частоты; колебание частоты; несимметрия трехфазной системы напряжения; смещение нейтрали.
5-2. ОТКЛОНЕНИЯ И КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ.
При работе резкопеременных нагрузок наиболее заметное снижение качества электроэнергии проявляется в виде колебаний напряжения и отклонений его от уровня (см. § 3-7),
Колебания напряжения Vt — разность между наибольшим Uмакс и наименьшим Uмин действующими значениями напряжения в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения напряжения больше 1 % в секунду.
По абсолютной величине
Если Vt выражается в процентах номинального напряжения
в вольтах, то
На выводах осветительных ламп и радиоприборов допускаемые колебания напряжения Vt, выраженные в процентах сверх допускаемых отклонений напряжения, определяются в зависимости от частоты их повторений
по формуле
где η — число колебаний в час; Δt — средний за час интервал между последующими колебаниями, мин.
Для остальных приемников электрической энергии в ГОСТ 13109-67 колебания напряжения не нормируются.
Следовательно, определяющими нормами качества электрической энергии по колебаниям напряжения для электроприемников общего назначения являются нормы на выводах осветительных ламп и радиоприборов.
Рис. 5-1. Схема питания мощного вентильного преобразователя (а) и схема замещения питающей сети (б).
Колебания напряжения вызывают резкие изменения светового потока ламп, утомляя зрение человека, и поэтому ограничиваются в ГОСТ 13109-67 как по частоте появления, так и по значению изменения напряжения.
Большие отклонения и колебания напряжения в питающей сети возникают при работе мощных (по отношению к мощности короткого замыкания) потребителей электрической энергии, нагрузка которых имеет резкопеременный характер. К таким потребителям могут быть отнесены дуговые печи, сварочные аппараты и управляемые вентильные преобразователи.
Возникновение отклонений и колебаний напряжения можно рассмотреть на примере работы нагрузки с мощным вентильным преобразователем. Упрощенная схема питания мощного вентильного преобразователя и схема замещения питающей сети представлена на рис. 5-1.
Вентильные преобразователи являются нагрузками с низким коэффициентом мощности, т. е. отличаются большим потреблением реактивной мощности.
