КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ
1. Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников и аппаратов, допустимые показатели
Электроприемники (ЭП) и аппараты, присоединенные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных номинальных параметрах: номинальной частоте переменного тока, номинальном напряжении, номинальном токе и т. д. Таким образом, при электроснабжении потребителей должно быть обеспечено требуемое качество электроэнергии. Электроприемники и аппараты могут присоединяться в различных пунктах электрических сетей, поэтому электрические сети по-разному влияют на показатели качества электроэнергии.
Например, значения напряжений на зажимах ЭП будут зависеть ot протяженности и характера электрической сети, находящейся между источниками питания и данными ЭП.
Опыт проектирования и эксплуатации электрических сетей показывает, что мероприятия по исключению или снижению влияния электрических сетей на показатели качества электроэнергии могут быть весьма дорогими. С точки зрения народного хозяйства более экономичным оказывается создание ЭП (аппаратов), допускающих работу при некоторых, относительно небольших отклонениях οι номинальных параметров. При этом, очевидно, технические и экономические показатели работы ЭП будут несколько изменяться, однако они должны находиться в приемлемых пределах.
В соответствии с ГОСТ 13109-67 (Л. 12] нормируемые показатели качества электроэнергии у ее приемников при питании от электрических сетей трехфазного переменного тока относятся к частоте переменного тока, напряжению, иесимметрии напряжений и иесииусоидальности формы кривой напряжения.
Рассмотрим подробнее влияние отдельных1 показателей качества электроэнергии на работу ЭП и аппаратов, а также их допустимые значения.
Частота переменного тока в электрической системе определяется скоростью вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты — в СССР оно равно 50 гц, в электрической системе может быть обеспечено при условии наличия резерва активной мощности. В каждый момент времени в электрической системе должно обеспечиваться равенство между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой с учетом потерь мощности в электрических сетях. В случае увеличения нагрузки она должна покрываться за счет имеющегося резерва мощности. При исчерпании резерва активной мощности частота токов и напряжений в электрической системе будет меньше номинальной. Рассмотрим это положение на примере простейшей электрической системы.
На рис. 4-1,а представлена принципиальная схема этой системы. Оиа состоит из питающей части / и приемной части или нагрузки //. На рис. 4-1,6 приведены статические характеристики по частоте для данной системы. Предположим, что при некоторой суммарной активной мощности Р характеристики / питающей части системы и II нагрузки пересекаются в точке а и система работает при этом с номинальной частотой fB. Допустим, что мощность нагрузки системы увеличилась до Р , чему соответствует новая характеристика IP нагрузки. Если характеристика питающей части системы при этом осталась неизменной, то пересечение характеристик / и IP произойдет в точке б. Это означает, что в данном режиме в системе произойдет снижение частоты и работа ее будет продолжаться при частоте / </н.
1 Специальные вопросы иормнровання колебаний частоты и напряжения нз-за недостатка места в настоящей работе не рассматриваются.
Работа системы при прежнем номинальном значении частоты может быть обеспечена только при переходе на новую статическую характеристику Р питающей части, что осуществляется соответствующими устройствами регулирования частоты на электростанциях. Из рассмотрения характеристик рис. 4-1,6 видно, что осуществление регулирования частоты в системе возможно только при наличии резерва активной мощности, определяемого в данном режиме разностью ординат точек а и в.
Рис. 4-1. Принципиальная схема (а) и статические характеристики (б) по частоте передающей (/) и приемной (II) частей системы.
Понижение частоты приводит к уменьшению скорости вращения всех включенных в работу электродвигателей. При этом снижается производительность соединенных с ними механизмов, что во многих случаях ухудшает экономические показатели их работы. При значительном повышении частоты в системе, что может иметь место, например, в случае резкого уменьшения нагрузки, возможно повреждение оборудования.
Для улучшения условий работы потребителей и оборудования ГОСТ нормируются значения отклонений A/ = f—fB от номинальной частоты. В нормальных режимах работы допускаются значения А/ в пределах ±0,1 гц. Современные системы автоматического регулирования частоты обеспечивают выполнение этих требований.
Изменения нагрузки потребителей в электрической системе могут быть различными по характеру. Так, наблюдаются небольшие и кратковременные изменения, а также сравнительно большие и более длительные, например, при смене дня и ночи. При малых изменениях нагрузки требуется относительно небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты в системе может производиться на одной, так называемой частотной станции. При больших изменениях нагрузки увеличение мощности должно быть предусмотрено на значительном количестве станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемым изменением нагрузки потребителей заранее составляются графики соответствующего изменения нагрузки электростанций. При этом предусматривается так называемое экономическое распределение нагрузки между станциями.
В послеаварийиых режимах, например при отключении мощных линий электропередачи, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно работающие части. В некоторых из них мощность электростанций может оказаться недостаточной и будут наблюдаться большие снижения частоты. Это приведет к резкому снижению производительности оборудования электростанций — питательных и циркуляционных насосов, дымососов и т. п., что вызывает дальнейшее значительное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из работы. Для предотвращения общесистемных аварий в подобных случаях предусматриваются специальные автоматические устройства частотной разгрузки АЧР, отключающие часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности — например после включения резервных источников, специальные устройства частотного АПВ автоматически повторно включают отключенных потребителей и нормальная работа системы восстанавливается.
Отклонения напряжения. При анализе режимов напряжения в электрических сетях обычно имеют дело с отклонениями V фактических значений U от номинального напряжения UH . 
При этом имеется в виду, что режимы напряжений изменяются достаточно медленно.
Работа электроприемников при значениях напряжения, отличных от номинального, характеризуется изменением технико-экономических показателей. Рассмотрим некоторые примеры.
В случае работы лампы накаливания с отклонением напряжения1 У= + 10% световой поток ее, а следовательно, и освещенность рабочей поверхности возрастают примерно на 40%. Однако при этом срок службы лампы сокращается примерно в 3 раза. При работе с отклонениями V=—10% срок службы возрастает примерно в 2 раза, но зато световой поток снижается в среднем на 40%. В результате резко снижается освещенность рабочей поверхности, а следовательно, и производительность труда работающих.
Момент вращения и скольжение асинхронных двигателей зависят от напряжения на их зажимах. При снижении напряжения хотя бы на 10% по сравнению с номинальным значением может несколько снизиться производительность работы приводимых двигателями производственных механизмов. При значительном снижении напряжения двигатели могут остановиться. Повышение напряжения на зажимах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3% и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя). В случае снижения напряжения на зажимах двигателя при той же потребляемой мощности увеличивается его ток. При этом происходит более интенсивный нагрев изоляции двигателя и соответственно снижается срок ее службы. Расчеты показывают, что при длительной работе полностью загруженного двигателя с отклонениями напряжения на зажимах V=—10% срок его службы сокращается примерно вдвое.
Работа электротермических установок при снижении напряжения на их зажимах существенно ухудшается, увеличивается длительность технологического процесса, а в ряде случаев при значительных изменениях V может иметь место и полное расстройство технологического процесса. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению их производительности, повышению удельного расхода электроэнергии и увеличению себестоимости продукции.
Для предотвращения указанного ухудшения технических и экономических показателен работы ЭП ГОСТ допускаются следующие отклонения напряжения у их зажимов: для осветительных ЭП в производственных и общественных помещениях от —2,5 до +5%; для асинхронных электродвигателей от —5 до +10% и для всех прочих ЭП от —5 до +5%.
Для электрических аппаратов, присоединяемых к электрическим сетям, значения напряжений ограничиваются условиями работы изоляции, а также нагрева стали понижающих трансформаторов. В связи с этим устанавливается допустимая величина длительного превышения фактического значения напряжения по сравнению с соответствующим номинальным значением. В сетях до 20 кВ включительно допустимая величина превышения напряжения равна 20%, в сетях 35—220 кВ —15%, в сетях 330 кВ— 10%, 500—750 кВ — 5%.
Для трансформаторов величина допустимого превышения напряжения определяется более сложно. В качестве ориентировочного показателя можно считать, что допустимо превышение магнитной нндукцнн в стали на 5% сверх значения, получаемого в режиме холостого хода при номинальном напряжении данного регулировочного ответвления трансформатора.
Для генераторов и синхронных компенсаторов допускается работа с номинальной мощностью при отклонениях от номинального напряжения в пределах от—5 до + 5%. При этом следует иметь в виду, что номинальные напряжения генераторов на 5% выше, чем для электрических сетей.
Реактивные сопротивления в элементах современных электрических сетей—линиях и трансформаторах, в большинстве случаев больше активных. Поэтому режим напряжений в электрических сетях в основном определяется значениями реактивной мощности. Кроме Того, требуемый режим напряжений может быть обеспечен только при условии наличия резерва баланса реактивной мощности. Это означает, что во всех основных узлах системы располагаемая мощность источников должна быть больше суммарной реактивной мощности нагрузки потребителей с учетом потерь ее в элементах сети. Рассмотрим это положение на примере некоторого ( узла системы.
Рис. 4-2. Статические характеристики Q=f(U) для узла системы.
На рте. 4J2 представлены статические характеристики реактивной мощности, по напряжению для передающей (/) (по отношению к данному узлу) и приемной (II) части сети (см. рис. 4-1,о). Кривая II характеризует изменение потребления реактивной мощности Э1П при отсутствии устройств для автоматического регулирования напряжения. Предположим, что при некоторой суммарной реактивной мощности Q характеристики (передающей (/) и приемной (II) части сети пересекаются в точке а, что соответствует значению UB напряжения в рассматриваемом пункте сети. Допустим, что мощность нагрузки увеличилась вследствие включения новых ЭП до величины Q , чему соответствует новая характеристика II приемной части сети. Если характеристика / передающей части при этом осталась неизменной, то пересечение характеристики I и II произойдет в точке б. Это означает, что в рассматриваемом узле сети будет иметь место снижение напряжения и работа будет продолжаться при U < U в.
Увеличение напряжения до прежнего значения UH может быть обеспечено только при переходе на новую статическую характеристику Г передающей части (точка Ь). Это может быть обеспечено с помощью устройств для автоматического регулирования напряжения. Необходимый резерв реактивной мощности определяется разностью ординат а и Ь.
1 Для упрощения записи индекс «%» у V в дальнейшем опускается.
Несимметрия напряжений характеризуется значениями напряжений обратной и нулевой последовательностей (см. § 3-1). В результате увеличиваются суммарные значения отклонений от номинального напряжения и, следовательно, ухудшается режим напряжений у ЭП. Очень неблагоприятно влияет напряжение обратной последовательности, даже небольшой величины, на работу вращающихся электрических машин. В них токи обратной последовательности получаются значительными по величине— в 5—7 раз больше значений напряжений обратной последовательности. При этом возникают вращающееся магнитное поле обратной последовательности, э. д. с. и токи двойной частоты в цепях роторов, что приводит к дополнительному нагреву соответствующих частей машины.
В случае наличия токов обратной и нулевой последовательностей увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь мощности и энергии и может быть недопустимо с точки зрения нагрева. Токи нулевой последовательности протекают постоянно через заземлители. При этом дополнительно высушивается грунт и увеличивается сопротивление заземляющих устройств. Это может быть недопустимым с точки зрения работы релейной защиты, а также из-за усиления воздействия на низкочастотные установки связи, устройства железнодорожной блокировки.
Для предотвращения указанных неприятных явлений в ГОСТ для всех ЭП допускается напряжение обратной последовательности в пределах только до 2% номинального. Для асинхронных электродвигателей разрешается несколько увеличить это значение в зависимости от их коэффициента загрузки. Величина напряжения нулевой последовательности/ не регламентируется. Однако для трехфазных распределительных сетей с однофазными ЭП указывается, что действующие значения напряжений у ЭП не должны выходить за допустимые пределы при учете всех влияющих факторов — напряжений обратной и нулевой последовательностей, отклонений напряжения прямой последовательности и гармоник напряжения.
В целях снижения или устранения несимметрии напряжений или токов в каком-либо участке сети применяют специальные симметрирующие устройства (см. §4-3).
Несинусоидальность напряжений характеризуется наличием помимо гармоники основной частоты ί/ι слагающих гармоник Uy других высших частот.
В целом несинусоидальные режимы обладают теми же недостатками, что и несимметричные. Однако из-за большей частоты несинусоидальные токи приводят к большему дополнительному нагреву вращающихся машин, а также к большему дополнительному нагреву и увеличенным диэлектрическим потерям в конденсаторах. Возможно также возникновение резонансных явлений в сетях на высших частотах. При этом резко возрастают значения токов и напряжений на отдельных участках сети. Для снижения или устранения высших гармоник применяют специальные фильтры, создающие короткозамкнутую цепь для соответствующей гармоники. При этом исключается ее распространение в остальной части сети.
