Главная | Обратная связь

Вплив якості електроенергії на електроприймачі та елементи електропостачальних систем

 

Відомо, що економічність роботи електроприймачів та споживачів електричної енергії, а також елементів електропостачальних систем у тій чи іншій мірі залежить від якості електричної енергії.

Вплив показників якості електричної енергії на роботу промислових електроприймачів найбільш повно дослідив проф. І. В. Жежеленко, наприклад, в [4.2, 4.3], а також цілий ряд дослідників та наукових організацій [4.8, 4.10, 4.12]. В цілому можна констатувати, що відхилення показників якості за межі допустимих значень призводить до значних матеріальних збитків.

Частота – це загальносистемний параметр, тому розглянемо насамперед вплив відхилення частоти на роботуелектроприймачів та параметри режиму елементів електропостачальної системи. Зміна частоти впливає на потужність і продуктивність електроприймачів промислових підприємств. Механізми і агрегати споживачів за ступенем залежності їх роботи від частоти можна поділити на наступні групи.

1. Електроприймачі, на роботу яких зміна частоти практично не впливає. До них відносяться освітлення, значна частина електротермічного обладнання, електролізні і електрозварювальні установки тощо.

2. Споживачі, потужність і продуктивність механізмів яких змінюється пропорційно першого ступеня частоти: металообробні верстати, кульові млини, асинхронний електропривод механізмів електромеханічних устав, привод електромашинних перетворювачів частоти тощо.

3. Споживачі, продуктивність механізмів яких змінюється пропорційно другого, третього і більш високого ступеню частоти: вентилятори, відцентрові помпи, турбокомпресори тощо.

Зниження продуктивності механізмів веде до зменшення кількості, а часто і якості продукції, а у випадку значного зниження частоти – практично до припинення їх роботи.

В певних межах існує саморегулювання балансу потужності в системі при зміні частоти. Дійсно, під час зниження частоти за рахунок нестачі активної потужності швидкість обертання машин зменшується, та, відповідно, зменшується навантаження їх приводних двигунів. Так, із зміною частоти на 1% сумарна споживана потужність знижується на 1-3%. У цих умовах, природно, виникають збитки на підприємствах за рахунок недовипуску продукції; при значному зниженні частоти ці збитки і ймовірність виникнення аварій різко зростають, у зв‘язку з чим необхідно розвантажувати систему.

Збитки від відхилень напруги можна розділити на дві складові - на електромагнітну та технологічну. Перша з них визначається додатковими втратами електроенергії в електроприймачах і в мережі, а друга - зниженням продуктивності технологічного обладнання та продуктивністю праці персоналу. З підвищенням стабільності напруги обидві складові збитків зменшуються, однак для її забезпечення збільшуються капіталовкладення в систему електропостачання на заходи, які необхідні для обмеження відхилень напруги. Тобто, відхилення напруги та межі його нормування – фактори не тільки технічні, а й економічні.

Розглянемо вплив відхилення напруги на деякі електроприймачі.

Зі зниженням напруги зростає ковзання і зменшується частота обертання асинхронних двигунів, які є одними із основних електроприймачами на промислових підприємствах. У цей час зростає струм двигунів, що викликає їх перегрівання, збільшуються втрати потужності та енергії швидше зношується ізоляція, скорочується строк роботи двигунів. Обертовий момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату напруги і зниження рівня напруги зменшує продуктивність механізмів; важким стає пуск і самозапуск двигунів під навантаженням.

У більшості електротехнологічних установок зниження напруги викликає значне зменшення споживаної потужності і можливий брак у процесі нагрівання деталей, суттєво затягується технологічний процес, а в ряді випадків стає неможливим. Так, внаслідок зниження напруги на 8..10% часто технологічний процес в печах опору та індукційних печах неможливо довести до кінця.

Несприятливо впливає відхилення напруги і на роботу електрозварювальних установок. Зниження напруги погіршує якість зварних швів. Тривалість часу зварювання при зниженні напруги на 10% зростає на 20% за рахунок збільшення часу прогрівання шва.

Досить чутливими до зміни напруги є косинусні конденсатори. Реактивна потужність, яку вони видають, пропорційна квадрату напруги. Таким чином, при зниженні напруги на 10% потужність конденсатора зменшиться до 81%. Підвищення наруги на 10% збільшує реактивну потужність конденсатора до 121% і викликає його перевантаження.

Високі вимоги щодо якості напруги пред‘являють прилади освітлення. Так, у ламп розжарення зниження напруги призводить до зменшення потужності (квадратична залежність), що викликає зміну світлового потоку, який пропорційний третьому-четвертому ступеню зміни напруги. Підвищення напруги призводить до зростання ККД ламп, але строк служби їх скорочується. Так, підвищення напруги на 5 і 10% тягне за собою зменшення строку служби ламп відповідно в два і три рази.

Несприятливо впливає на роботу електроприймачів і коливання напруги, основною причиною яких є поштовхи навантаження, які створюють, наприклад, дугові сталеплавильні печі, зварювальні трансформатори, потужні приводні двигуни прокатних станів, компресорів тощо.

Коливання напруги впливають насамперед на роботу освітлення. Вони містять періодичні складові в діапазоні частот від часток герца до 30Гц, а також неперіодичні складові. Коливання напруги викликають відповідні коливання світлового потоку ламп розжарення, що шкідливо впливає на зір.

Електротермічні і електрозварювальні установки по-різному сприймають коливання напруги в залежності від інерційності процесів перетворення електричної енергії в теплову. Дугові сталеплавильні, руднотермічні, індукційні плавильні печі, потужні печі опору практично не реагують на коливання напруги. В той же час в малоінерційних установках для плавлення, нагрівання і зварювання (електронно-променевих, плазмених, лазерних, установках зонного нагрівання), прецизійних і малопотужних печах опору зміна напруги навіть з достатньо великими швидкостями можуть викликати порушення технологічного процесу і погіршення якості продукції.

Коливання і швидкі зміни напруги призводять до непомітної і неприємної для ока швидкої зміни світлового потоку електричних ламп і створеної ними освітленості. Відносну зміну світлового потоку ламп dF_t за деякого розмаху зміни напруги dU_t (в межах ±10% від номінальної) можна визначити за наближеною формулою:

 

(4.33)

 

де m – коефіцієнт пропорціональності, який становить у випадку ламп розжарення в середньому 3,7, а у випадку розрядних ламп різних їх типів знаходиться в межах від 0,5 до 1,5.

Як показують значення коефіцієнта m, на коливання напруги з найбільшою зміною світлового потоку реагують лампи розжарення, які мають широке застосування у різних сферах виробництва. У зв‘язку з цим найбільш суворі вимоги з обмеження коливань напруги висувають до мереж, які живлять освітлювальні установки з лампами розжарення особливо в місцях, де складна зорова робота супроводжується суттєвим напруженням очей (крива 2 на рис 4.2). У інших випадках вимоги до стабільності напруги мережі можуть бути менш суворими.

Несинусоїдність напруги. Головним джерелом вищих гармонік в системах електропостачання промислових підприємств є приймачі з нелінійною вольт-амперною характеристикою. До них в першу чергу відносяться перетворювачі для живлення дугових установок, тиристорні джерела підвищеної і зменшеної частоти для електротехнологічних установок, тиристорні перетворювачі для регульованого електроприводу тощо. Їх навантаження можуть сягати великих значень (до 2000 Мвт) і можуть складати значну частину навантаження підприємств деяких галузей промисловості. Певну нелінійність мають також характеристики трансформаторів та двигунів.

Одним із потужних джерел вищих гармонік є дугові сталеплавильні печі, навантаження яких на електрометалургійних заводах може досягати 80-95%, а на машинобудівних – до 20% усього навантаження підприємства. На багатьох підприємствах широко застосовуються електрозварювальні установки потужністю до декількох мегавольтампер. В деяких цехах автомобільних заводів питома вага цього навантаження сягає 80%.

Вищі гармоніки провокують появу додаткових втрат електричної енергії в трансформаторах, лініях, двигунах, конденсаторах; скорочують термін роботи ізоляції електричних машин та апаратів; можуть порушувати роботу пристроїв автоматики, телемеханіки, зв’язку, а також комп’ютерних систем; викликають радіозавади.

Несиметрія напруги виникає у випадках несиметрії поздовжніх параметрів лінії (або неповнофазних режимів) з симетричним навантаженням або за умов симетрії поздовжніх параметрів ЕПС та несиметричних навантаженнях; можливі випадки несиметрії параметрів та несиметричного навантаження. Причиною появи несиметрії напруги переважно є потужні несиметричні навантаження ( наприклад, індукційні печі, зварювальні агрегати, установки електрошлакового переплава тощо).

Наявність несиметричних навантажень викликає додаткові втрати потужності в елементах мережі (лініях, трансформаторах), а несиметрія напруг трифазної системи негативно впливає на інші електроприймачі і в першу чергу на двигуни.

В асинхронних двигунах наявність напруги оберненої послідовності викликає відповідну складову моменту, яка діє в протилежному до основного моменту напрямку, що призводить до зменшення корисного моменту. Це зменшення залежить від квадрату коефіцієнта несиметрії напруги. Струм оберненої послідовності викликає додаткове нагрівання ротора та статора, посилене старіння ізоляції та зменшення потужності двигуна. Так, при несиметрії напруги 4% термін служби двигуна зменшується у два рази, а потужність зменшується на 5-10%.

В мережах за умов несиметрії струмів збільшуються втрати напруги (в більш завантаженій фазі), а також потужності та енергії в лініях та трансформаторах. Так, в симетричному режимі втрати потужності, наприклад, в лінії, визначаються за формулою

(4.34)

У випадку наявності несиметрії струмів, за умов передачі такої ж потужності, струм в одній фазі лишається незмінним, в другій - збільшується на величину DІ, а в третій - зменшується на таку саму величину. Втрати потужності становитимуть

, (4.35)

тобто додаткові втрати пропорційні подвійному квадрату струму несиметрії.

За наявністю несиметрії напруги на шинах, до яких приєднана конденсаторна батарея, її потужність зменшується, оскільки вона має бути обмежена потужністю найбільш завантаженої фази.

За цих умов зменшується також ефективність роботи багатофазних випрямлячів, обмежується їх потужність.

Провал напруги – раптове значне зниження напруги в точці електричної мережі, за яким наступає відновлення напруги до початкового або близького до нього рівня через проміжок часу від декількох періодів змінного струму до декількох десятків секунд.

Основними причинами виникнення провалів напруги є короткі замикання в мережі, що призводить до вимкнення елементів мережі, які потім знову можуть автоматично вмикатися. Напруга відновлюється або після вимкнення пошкодженої ділянки або після автоматичного увімкнення живлення пристроями АПВ або АВР.

Збитки від провалів напруги можуть бути дуже великими. Відомі випадки, коли внаслідок провалів напруги, тривалість яких перевищувала уставку часу захисту мінімальної напруги, вимикались від мережі і зупинялись потужні (до 60 МВт) компресорні станції, чим порушувався складний технологічний процес, на відновлення якого необхідно витратити значні матеріальні ресурси.

Імпульси напруги виникають найчастіше в результаті грозових та комутаційних перехідних процесів в мережі, а також індукційним шляхом від кіл імпульсного керування напівпровідниковими перетворювачами.

Наслідки від дії імпульсів грозових та комутаційних перенапруг бувають дуже важкими: пробій ізоляції трансформаторів, двигунів та іншого обладнання й коштовні відновлювальні роботи.

Тимчасова перенапруга виникає в чотирипровідних мережах НН у випадку обриву нульового проводу чи неякісного контакту відгалуження. Це призводить до масового пошкодження коштовного побутового обладнання а саме: телевізорів, холодильників та тощо.