Качество электрической энергии и его влияние на электропотребление и надежность работы электрооборудования

Ухудшение качества электроэнергии может привести к ряду отрицательных последствий или ущербу для отдель­ных видов электроприемников или потребителя в целом. Под ущер­бом, вызванным этим ухудшением, понимают все виды отрицательных последствий, возникающих в работе систем электроснабжения, потребителей и электро­приемников. Такой ущерб в денежном выражении называют эконо­мическим. Различают два вида ущерба: электротехнический и техно­логический.

Электротехнический ущерб вызван увеличением потерь электро­энергии, сокращением срока службы электрооборудования и прибо­ров, внезапными обратимыми и необратимыми отказами тех или иных технических средств.

Технологический ущерб вызван недоотпуском и браком продук­ции, сбоями и отказами в работе электрооборудования, которые при­водят к нарушению технологии производства.

Перечисленные виды ущерба следует рассматривать как недопус­тимые. Это требование сформулировано в законе РФ о техническом Регулировании в целях защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений. Разрабатываемый технический рег­ламент «Об электромагнитной совместимости» устанавливает минимально необходимые требования к качеству электроэнергии по всем показателям в соответствии с ГОСТ 13109–97.

Анализ качества электроэнергиипредполагает проверку обеспечения качества электроэнергии,передаваемой потребителям, подключенным к сети, а также контроль за соблюдением потребителями, предусмотренных договором на присоединение, условий по потреблению реактивной мощности, выравниванию создаваемой ими несимметрии, подавлению высших гармоник.

Потребитель может быть источником различных помех. При этом количество и местоположение таких потребителей в схеме электроснабжения известно приблизительно, а уровень вно­симых ими помех практически неизвестен. В большинстве случаев электроприемники, являющиеся источником искажения, ока­зываются восприимчивым к тем же помехам.

Некоторые потребители вносят искажения в установившихся режимах работы (табл. 3.6.1), а другие — только в пусковых и регулируемых режимах (табл. 3.6.2).

Таблица 3.6.1. Промышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в установившихся режимах

Таблица 3.6.2. Промышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в пусковых режимах или при регулировании

По результатам анализа качества электроэнергии должны быть разработаны рекомендации по его повышению до требуемого уровня.

Согласно ГОСТ 13109-97«Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» показателями качества электроэнергии являются:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения

- доза фликера.

Фликер - субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

Доза фликера - мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

- отклонение частоты;

- длительность провала напряжения;

Это интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Провалом напряжения называют внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 U_ном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд;

- импульсное напряжение;

Это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;

- коэффициент временного перенапряжения.

Величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных: значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети. Временное перенапряжение это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1U_ном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях

Далее рассмотрим более подробно некоторые показатели:

Напряжение. Отклонение напряжения от номинального существенно влияет на работу электроприемников. При снижении напряжения снижается крутящий момент электродвигателей, что приводит к их перегреву, вследствие чего происходит ускоренный износ их электроизоляции. Снижение напряже­ния питания электрических печей сопротивления мо­жет существенно замедлять технологический процесс или даже делать невозможным его проведение. Сни­жение напряжения ухудшает качество сварки и сни­жает производительность сварочных работ. Освети­тельные приборы при снижении напряжения на 10 % снижают освещенность: лампы накаливания — на 27%, люминесцентные лампы — на 12,5 %. При сни­жении напряжения на 20 % и более зажигание газо­разрядных ламп становится невозможным. Если напря­жение питания ламп накаливания повышается на 5 %, срок их службы снижается вдвое. Наряду с уменьше­нием срока службы осветительных приборов увеличе­ние напряжения сверх его номинального значения приводит к нерациональному расходу электроэнер­гии, как это видно из табл. 3.6.3 и табл. 3.6.4.

Таблица 3.6.3. Зависимость относительного срока службы ламп от перенапряжения

Таблица 3.6.4. Зависимость увеличения потребляемой электроэнергии от перенапряжения

Отклонение напряжения от номинального значения в ту или иную сторону приводит к выходу оборудования из строя. Причем для электродвигателей снижение напряжения даже более опасно, чем его повышение. Снижение напряжения питания на 1 % при водит к увеличению потерь в асинхронных двигателях на 0,1 % (при 380 В) и на 0,5 % у двигателей с номинальным напряжением 6-10 кВ. При снижении напряжения более чем на 5 % от номинального работа электродвигателя допустима лишь тогда, когда его нагрузка меньше номинальной. В противном случае возможен перегрев обмотки двигателя и ее преждевременный износ. При снижении напряжения на 10 срок службы двигателя снижается более чем в два раза. Увеличение напряжения питания асинхронного двигателя на 1 % приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности на 3 %. Снижается коэффициент мощности, возрастает полный электрический ток и, соответственно, растут активные потери.

Согласно ГОСТ 13109-97 [6], нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721-77 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В и ГОСТ 211128-83 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В. Эти отклонения в точках подсоединения потребителей электроэнергии должны быть установлены в договорах на электроснабжение с учетом выполнения норм стандарта. Дл того чтобы уменьшить отклонения напряжения до до­пустимых значений, используются средства, указанные в п. 2.4.1.

Колебания напряжения. При колебаниях напряжения асинхронные двигатели изменяют скорость вращения, нагревательные элементы печей существенно изменяют свою температуру и т. д. Все это приводит к нарушению технологических процессов и браку продукции, выходу из строя оборудования. Толчковые колебания напряжения вызывают потери энергии в сетях на 60-70 % больше, чем равные им по мощности толчковые нагрузки. Колебания напряжения сказываются на работе осветительных приборов, что является причиной снижения производительности труда и быстрой утомляемости глаз. Нарушается нормальная работа радио- и телевизионного оборудования. Оценить последствия колебаний напряжения в денежном отношении достаточно трудно.

Причиной колебания напряжения являются электроприемники, у которых резко меняется нагрузка например, при зажигании дуг у дуговых печей и сварочных агрегатов, при частых пусках электродвигателей (лифты, электропоезда метро) и др. Для снижения влияния резко переменных нагрузок на напряжение сети применяют следующие меры:

● ограничивают пусковые токи мощных двигателей

● применяют устройства продольно-емкостной компенсации;

● выделяют электропитание крупных электроприемников с резко переменной нагрузкой на са­мостоятельные линии, идущие непосредственно от источника питания (ТЭЦ, ГПП и т.д.). Например, дуговые печи питают от своей трансформаторной подстанции;

● потребителей, чувствительных к колебаниям на­пряжения, например, осветительные приборы, персональные компьютеры и др. питают от отдельных трансформаторов или выделяют на отдельные линии;

● применяют автоматическое регулирование тока возбуждения мощных синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения;

● используют устройства плавного пуска асинхронных и синхронных двигателей.

Несинусоидальность напряжения. Электроприемники с нелинейными характеристиками, например, тиристорные преобразователи, дуговые печи, элек­тросварочное оборудование и т. д. являются источни­ком высших гармоник. Люминесцентные и ртутные лампы, широко применяемые в промышленности, также являются источником высших гармоник.

В последнее время многие организации, которые внедряли электроприводы с питанием от ЧРП, не при­нимая при этом мер по борьбе с ухудшением качества электроэнергии (например, с помощью фильтров высших гармоник), столкнулись с проблемами преждевременного выхода из строя электрооборудования, сбоям в работе электронного оборудования и др.

Высшие гармоники вызывают дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и электрических сетях. Существенно сокращается срок службы электроизоляции двигателей, конденсаторов, кабелей. Могут возникать резонансные явления в батареях конденсаторов, что приводит к увеличению их потерь, повышению температуры, ускорению процес­са старения изоляции и к выходу их из строя. Высшие гармоники влияют на работу персональных компью­теров, систем автоматики и телемеханики, что часто приводит к сбоям в их работе.

Несинусоидальность напряжения согласно ГОСТ 13109-97 характеризуется показателями «коэффициент искажения синусоидальности напряжения» и «коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения».

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения приведены в табл. 3.6.5.

Несимметрия фазных напряжений возникает, ког­да к одной из фаз подключается мощный однофазный электроприемник (например индукционная тигельная печь). Кроме того, несимметрия наблюдается при неравномерном распределении нагрузки по фазам и при аварийных режимах (обрыв нагрузки или несим­метричное короткое замыкание).

Таблица 3.6.5. Значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения

При несимметрии напряжений в 2 % у электрооборудования сокращается срок службы:

у трансформаторов на .......................... 3,9 %;

у синхронных двигателей на ........... 16,2 %;

у асинхронных двигателей на ........... 10,8 %;

у батарей конденсаторов на ........... 20-25 %.

При несимметрии напряжения в асинхронных дви­гателях появляются напряжения обратной последовательности, что вызывает противодействующий вра­щающий момент, пропорциональный квадрату коэффициента несимметрии напряжения. Ток обратной последовательности приводит к дополнительному на­греву ротора и статора, к снижению срока службы оборудования из-за старения изоляции. При несимметрии напряжения в 4 % срок службы полностью за­груженных асинхронных электродвигателей снижает­ся в два раза. При 5 % несимметрии мощность двига­телей снижается на 5-10 %.

Кроме того, при несимметрии напряжений снижа­ется мощность многофазных выпрямителей, конденсаторных батарей и т. д. Это связано с тем, что допусти­мая мощность определяется наиболее загруженной фазой. При несимметрии напряжений в 2 % снижение мощности составляет:

· 2,4 % - у асинхронных двигателей с U_ном = 6-10 кВ и мощностью выше 100 кВт;

· 1-4 % - у трансформаторов связи с энергосистемой и у цеховых трансформаторов (наибольшее значение относится к трансформаторам связи);

· 4,2 % - у синхронных двигателей мощностью более 100 кВт.

При несимметрии напряжений в 2 % потери электроэнергии увеличиваются на 1-4 %. Для снижения несимметрии фазных напряжений используются симметрирующие устройства, описанные в п. 2.4.3.

Частота. При изменении частоты пропорциональ­но изменяется мощность металлорежущих станков, асинхронного электропривода различных механизмов и др. Пропорционально третьей степени частоты из­меняется мощность вентиляторов, центробежных насосов и т. д.

Снижение частоты часто приводит к снижению производительности, а иногда и качества выпускаемой продукции.

Коэффициент мощности (cos φ). Значения cosφ влияют на величину потерь активной мощности в электрических сетях и электрооборудовании. Опти­мальное значение cosφ, соответствующее минимуму потерь активной мощности, равно единице. Любое отклонение cosφ от единицы, как в минус, так и в плюс, неизбежно приводит к увеличению активных потерь. Связано это с тем, что возрастает вектор пол­ного тока, который равен сумме активной и реактив­ной составляющих тока. Полный ток, протекая через электрические сети и электрооборудование, вызывает потери активной энергии, которая выделяется в виде тепла. Минимальное значение полного тока, равное его активной составляющей, будет при cosφ = 1.

В настоящее время прирост потребления реактив­ной энергии, который приводит к снижению cosφ, превышает прирост потребления активной энергии. Это связано с тем, что бурно развивается использова­ние частотных преобразователей, систем освещения и рекламы, компьютерной техники и т. д.

К основным потребителям реактивной энергии относятся асинхронные электродвигатели (они потребля­ют около 65 % от всей реактивной мощности), силовые трансформаторы (до 20 %), индукционные печи и установки и др.

Значение потребляемой реактивной мощности будет тем выше, чем больше отличие коэффициент мощности (cosφ) от единицы. Повышая cosφ, снижаем значение реактивной мощности. Коэффициент мощности можно повышать либо путем изменения качественного значения cosφ, либо путем компенсации реактивной мощности.

Повышение естественного значения cosφ можно достичь:

●отключением одного из параллельно работающих недогруженных трансформаторов; приведением в соответствие положение анцапф трансформатора со стороны питания напряжению питающей сети. При установке анцапф на меньшее напряжение cosφ снижается;

●заменой недогруженных асинхронных двигателей на двигатели меньшей мощности; переключением с треугольника на звезду при на­грузке асинхронного двигателя менее 35-40 %;

●установкой ограничителей холостого хода двигателей при частых режимах х.х. и их длительность более 10 секунд;

●улучшением качества ремонта электродвигателей (обточка ротора недопустима, т. к. увеличение за­зора снижает коэффициент мощности);

●заменой асинхронных двигателей синхронными (там, где это возможно).

Повышение cosφ компенсацией реактивной мощ­ности. Компенсация реактивной мощности позволяет:

●снизить потери активной энергии в сетях и транс­форматорах;

●снизить нагрузки в кабельных линиях, так как сни­жаются полные токи (за счет снижения реактивной составляющей тока). Тем самым появляется воз­можность подключить дополнительно полезную нагрузку;

●избежать глубокой просадки напряжения у отдаленных электропотребителей;

●облегчить пуск двигателя (при местной компен­сации);

●максимально использовать мощность автономных источников питания.