| 
||
ДонНТУ >
Портал магистров ДонНТУ
Сегодня, в наше развитое время, нет смысла говорить о важности различных видов энергии, особенно электроэнергии. Современному человеку невозможно представить свою жизнь без электричества. Но как и любой товар электроэнергия имеет такой показатель как качество, которое зависит от ряда факторов. Сейчас, с увеличением количества электроприёмников, которые имеют нелинейную вольтамперную характеристику, всё больше ухудшается их электромагнитная совместимость (ЭМС). А ухудшение ЭМС ведёт в свою очередь к таким последствиям: выход из строя электрооборудование, ложное срабатывание систем управления и защиты, большие потери электроэнергии, в отдельных случаях - ухудшение здоровья человека, понижение его трудоспособности, следовательно и понижение производительности труда.
В моей магистерской работе рассмотрены параметры ЭМС в сетях со сдвоенным реактором ( СР).
Цель: Определение параметров качества электроэнергии в сетях со СР, влияние СР на эти параметры, сопоставление индивидуальных, групповых реакторов со сдвоенным реактором по показаниям ЭМС, а также оценка эффективности применения СР.
Задача работы: Определение параметров электромагнитной совместимости (ЭМС) в сетях со СР.
Новизна: Определение расчётного максимума колебания напряжения в сети со СР для нормального процесса.
Вопросы обеспечения качества электроэнергии в электрических сетях широко отражены в работах таких отечественных и зарубежных ученых как Жежеленко И.В., Лютый А. П., Каялов Г.М., Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Шидловский А.К., и др.
Сдвоенный реактор – электрический аппарат , применяющийся для снижения токов к.з. Сдвоенный реактор представляет собой единую обмотку со средним выводом, рассчитанным на суммарный ток ветвей. Этот вывод присоединяется к сборным шинам на выходе трансформатора, а концы обмоток - к нагрузке. Сдвоенный реактор имеет две ветви, намотанные согласно, по которым протекают токи.
Реактивное сопротивление одной катушки реактора при прохождении в них противоположных и равных токов уменьшается на величину коэффициента связи. Последнее является важным преимуществом сдвоенного реактора, позволяющим уменьшить падение напряжения в нем при нормальном режиме почти вдвое. Сдвоенные реакторы имеют пониженную динамическую устойчивость при параллельном включении обоих плеч на трехфазное короткое замыкание. Такой режим для них недопустим. Вследствие того, что эквивалентная реактивность двух плеч в этом случае в несколько раз меньше реактивности каждого плеча, ток к. з. достигает недопустимых пределов.
Значение коэффициента связи сдвоенных реакторов лимитируется допустимым уровнем напряжения на отключенном плече реактора при КЗ на другом плече.
Согласно стандарту ГОСТ 13109–97 [1], систему показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при питании от электрических сетей трёхфазного тока образуют:
- размах изменения напряжения;
- доза фликера;
- 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;
- импульсное напряжение;
- коэффициент временного перенапряжения.
Принципы нормирования ПКЭ [2] по напряжению состоят в следующем: а) ПКЭ по напряжению имеют энергетический смысл, т. е. характеризуют мощность (энергию) искажения кривой напряжения; степень отрицательного воздействия энергии искажения на электрооборудование и технологические процессы соизмеряется со значением ПКЭ; б) предельно допустимые значения ПКЭ выбирают из технико-экономических соображений; в) ПКЭ нормируются в течение определённого интервала времени с заданной вероятностью для получения достоверных и сопоставимых значений; г) допустимые значения ПКЭ указаны на зажимах ЭП и в узлах электрических сетей.
Система ПКЭ, основанная на этих предпосылках, может использоваться в проектной практике, позволяя осуществить массовое метрологическое обеспечение контроля КЭ с помощью относительно простых и недорогих приборов, а также реализовать мероприятия и технические средства нормализации КЭ
Электромагнитные помехи (ЭМП) можно разделить на две основные группы: естественные и искусственные. Естественные (иначе – полевые) создаются грозовыми разрядами, геомагнитными явлениями и др. Возникновение искусственных ЭМП обусловлено работой лектрооборудования, воздушных линий электропередач (ВЛ), электронной и другой аппаратуры управления и контроля; они также могут возникать в аварийных режимах, например, при коротких замыканиях. Распространение ЭМП возможно либо в пространстве (так называемые «помехи излучения»), либо в проводящих средах–кондуктивные помехи. Последние, характерные для систем электроснабжения предприятий, распространяются по проводам, кабелям, шинопроводам, проводящим конструкциям, а также в электролитах, различных расплавах и аналогичных средах.
Система электроснабжения предприятия является электромагнитной средой, в которой имеет место генерирование, распространение и воздействие ЭМП на электроприёмники[3].
В цехах современных промышленных предприятий и в сфере услуг применяются вентильные преобразователи, различного рода преобразователи частоты, бытовые приборы, работающие как в статических, так и переходных режимах. Они являются мощными генераторами ЭМП, как и нелинейные нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей, электросварочных установок, ветроэлектростанций, силовых трансформаторов и электродвигателей. Если предприятия целлюлозно-бумажной промышленности или по производству химического волокна характеризуются лишь отклонениями напряжения, то машиностроительные, с мощными сварочными установками – отклонениями, колебаниями, несимметрией напряжения; предприятия чёрной и цветной металлургии, как и тяговые подстанции электрифицированного железнодорожного транспорта – ещё и несинусоидальностью.
Вентильные преобразователи являются мощными концентрированными источниками гармонических помех высших гармоник (ВГ). В наиболее часто применяемых 6-пульсных мостовых схемах преобладающими являются 5; 7; 11; 13-я гармоники. При реализации 12-пульсных схем уровни 5, 7, 11 и 13-й ВГ достигают соответственно 38, 30, 0,8 и 0,6 А.
При работе прокатных станов в случае отсутствия специальных быстродействующих компенсирующих устройств возникают значительные колебания напряжения.
Преобразователи частоты (ПЧ) в последние годы находят всё более широкое применение в металлургии, машиностроении, на предприятиях лёгкой промышленности [4]; ПЧ являются источниками гармонических ЭМП – не только ВГ, но и так называемых интергармоник (ИГ), частoты которых находятся между частотами ВГ. На рис. 1 представлена структурная схема ПЧ со звеном постоянного тока (ПЧП). ПЧ состоит из выпрямителя В, инвертора И (как правило, инвертора напряжения) и индуктивно-емкостного фильтра.
Дуговая сталеплавильная печь является значительным источником ЭМП: ВГ и ИГ, колебаний и несимметрии напряжений [5]. В наибольшей мере генерирование ЭМП проявляется в период расплавления.
Электросварочные установки (ЭСУ) создают практически все ЭМП. Они также являются источниками ИГ. При точечной сварке ИГ появляются в диапазоне 35–75 Гц с амплитудами, достигающими 20 % основной гармоники сварочного тока. Для всех ЭСУ энергия дискретного спектра составляет 6–20 % общей энергии смешанного спектра. Коэффициент несимметрии в сетях с ЭСУ находится в пределах 1–5 % [2].
Газоразрядные лампы (люминесцентные и дуговые ртутные) являются источниками ВГ порядка n=3, 5, 7 [6].
Ветроэнергетические установки (BЭУ) являются интенсивным источником ЭМП – в основном, ВГ и колебаний напряжения [7]. На рис. 2 представлены типовая схема мощной ВЭУ и схема электрической сети, в узлах которой измерения длительной дозы фликера и коэффициента искажения синусоидальности КU.
В литературе рекомендуется применение сдвоенных реакторов для уменьшения колебаний напряжения [8]. На рис. 3 показаны схемы с индивидуальными, групповыми и сдвоенными реаторами. Во всех схемах сопротивление Xr одинаково. Исходными для расчётов являються графики электрической нагрузки или их характеристики: среднее значения токов I1c, I2c, стандарты O1, O2 и коэффициент корреляции r. Обозначив 
, 
, 
получаем следующие выражения для средних значений потерь напряжения в расчётных точках.
Если Xc =0, средние значения отклонений напряжения в заданных токах будут:
Коэффициенты эффективности по средним отклонениям напряжения будут:
На рис. 3 представлены графики зависимости коэффициента эффективности при различных значениях B [9].
а)индивидуальное реактированеие; б) групповоe 
Сопоставляя СР с индивидуальным реактированием при малых сопротивлениях сети, с увеличением отношения потеря напряжения в ветви с СР всё больше компенсирует потерю напряжения в сети, суммарная потеря уменьшается, а следовательно эффективность СР растёт [10]. Возможна перекомпенсации. Исходя из фомулы коэффициента эффективности, область применения СР определяется:
Сопоставляя СР с групповым реактированием, эффективность применения СР заведомо выше, т.к. потери напряжения больше. При больших сопротивлениях сети кривые эффективности монотонно возрастают.
Стандарты существенно зависят от коэффициента корреляции. В пердельном случае положительной корреляции, когда r=1 СР увеличивает диапазон отклонений напряжения лишь по сравнению с индивидуальным реактором .
Вид кривых эффективности зависит от соотношения стандартов [11]. Если электроприёмники питаются от системы бесконечной мощности, в схеме с индивидуальным реактированием при любых значениях коэффициента корреляции стандарт не зависит от B. Для других схем при отсутствии корреляции стандарты возрастают. Следовательно СР менее эффективен чем индивидуальный реактор, но более эффективен чем групповой. Причина этого явления видна, когда по левой ветви СР протекает неизменный ток. Тогда в схеме с индивидуальным реактором колебания напряжения отсутствуют, а в схеме со СР за счёт магнитной связи изменение тока правой ветви ведёт к изменению сопротивления левой. Умножение неизменного тока на переменное сопротивление даёт переменную потерю напряжения.
Перейдём к оценке колебаний напряжения, которые характеризуются дозой. Количественная доза близка к дисперсии процесса после фильтра динамической модели, определяющий этот показатель. В связи с этим оценка по дозе колебаний и дисперсии аналогичны. Доза измеряется в % , а для перехода к колебаниям напряжения используется величина,которая пропорциональна стандарту после фильтра. Это позволяет оценивать эффективность по колебаниям напряжения так же, как и по диапазону отклонений. От среднего значения доза не зависит.
Увеличением коэффициентов для левой ветви СР уменьшается соответствующие коэффициенты для правой. Поэтому, если требования качеству напряжения одинаковы для обеих ветвей приходится стремится к равномерному распределению нагрузок.
Используя диапазоны отклонений напряжения или дозы отклонений напряжения, области эффективной применяемости СР вместо индивидуальных реакторов определяется неравенствами:
- в случае положительной корреляции:
-некоррелированности и отрицательной корреляции:
Аналогично СР эффективнее группового реактора, если
Полученные результаты на данный момент - эффективность СР по диапозону и дозе колебаний напряжения зависит от характера связи между электрическими нагрузками ветвей. В ходе расчётов были найдены определённые области значений коэффициентов корреляции, при которых СР увеличивает диапозон отклонений и колебания напряжения.
Практическое значение - полученные в моей магистрской работе могут быть использованы при проектировании электрических сетей для выбора в случаи выбора оборудование для ограничения токов к.з.
*Примечание: Рассмотрены колебания и отклонения напряжения, но все выводы распространяются и на другие показатели качества напряжения. Дальнейшие результаты исследований применения СР будут помещены на сайт по окончанию выполнения магистерской работы.
1. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. в Украине с 01.01.2000. – Введ. в Украине с 01.01.2000.
2. Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 2005-261 с.
3. Кузнецов В. Г., Куренный Э. Г., Лютый А. П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. – Донецк: Норд-Пресс, 2005. –250с.
4. Прокопчик В. В. Повышение качества электроснабжения и эффективности электрооборудования предприятий с непрерывными технологическими процессами.- Гомель: Изд-во Гомельского гос. техн. ун-та, 2002- 283 с.
5. Шидловский А. К., Куренный Э. Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. – Киев: Наукова думка, 1984. –271с.
6. CEI/IEC 61000-4-15. Electromagnetic compatibility – Part 4, Section 15: Flickermeter – Functional and design specification. 1997.
7. Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий. – М: Энергия, 1973. – 584 с.
8. Ермилов А. А., Соколов Б. А. Электроснабжение промышленных предприятий - 4- е изд., перераб. и доп. - Г.: Энергоатомиздат, 1986 - 144 с.
9. Липский A. M. Качество электроснабжения промышленных предприятий.- Киев–Одесса: Вища школа, 1985- 160 с.
10. Жежеленко И.В. Электромагнитная совместимость в системах промышленных предприятий.-Электрика, №10, 2008.
http://www.kudrinbi.ru/public/20451/index.htm
11. Рай А. В. Автореферат на тему: «Эффективность сдвоенных реакторов в условиях электромагнитной совместимости».
http://www.masters.donntu.ru/2008/eltf/ray/diss/index.htm