Электротехнический факультет
Специальность: Электротехнические системы электропотребления
Тема выпускной работы:
Научный руководитель: Шлепнев Сергей Владимирович
Вопросам качества электрической энергии в последние несколько лет уделяется очень большое внимание. Наряду с тем, что в специализированных СМИ наблюдается интенсивный поток информации по этой теме, создается впечатление, что некоторые специалисты-энергетики не до конца осознают важность этого вопроса.
Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов продукции, влияя на их качество. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью характеристик электрической энергии, при которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Важность проблемы повышения качество электрической энергии нарастала вместе с развитием и широким внедрением на производстве вентильных преобразователей и различных высокоэффективных технологических установок, таких как дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки и др.
В быту в последние годы широкое распространение получили телевизоры, компьютеры и другие устройства, работающие на постоянном токе через вторичный источник питания и ухудшающие качество электрической энергии в питающей сети. В итоге возник своего рода парадокс: применение новых технологий, которые экономичны и технологически эффективны, которые улучшают жизнь людей, отрицательно сказывается на качество электрической энергии в электрических сетях.
Актуальность работы связана с отсутствием аналитического решения задач оценки электромагнитной совместимости ЭМС и может помочь специалистам раскрыть для себя теоретические аспекты проблемы повышения качества электрической энергии.
Основная цель – исследовать величину отклонения напряжения от номинального значения в городских электрических сетях Донецкого региона.
Идея работы заключается в применении методик вероятностного моделирования, позволяющих описать случайные процессы.
Научное значение работы – развитие теории ЭМС в области определения характеристик случайных процессов при помощи статистических вероятностных методов расчета.
Вопросами качества электроэнергии занималось огромное количество ученых, среди которых хочу выделить Кузнецов В.Г., Шидловский А.К., Лютый А. П., а также ученые в этой области, работающие в нашем университете: Куренный Э.Г., Погребняк Н.Н., Коломытцев А.Д., Черникова Л.В. и множество др.
ЭМС технических средств – это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам [1]. Применительно к задачам электроснабжения электромагнитной средой является система электроснабжения, а техническим средством – электроприемник, который принимает полезный сигнал: питающее напряжение, симметричное и неискажаемое. Другими словами ЭМС – способность электроприемника нормально функционировать в системе электроснабжения и не создавать в ней кондуктивных помех, недопустимых для других электроприемников [2].
Необходимые для обеспечения технологических функций приемника электрические процессы могут ухудшить свойства сети и (или) свойства электрической энергии. В первом случае уменьшается пропускная способность сети (вплоть до ее аварийного отключения), во втором – ухудшается качество электроэнергии. Таким образом, проблема управления качеством электроэнергии является частью более общей проблемы обеспечения ЭМС.
Необходимость применения тех или иных способов улучшения ЭМС возникает, если хотя бы один показатель ЭМС не соответствует нормируемому. В этих случаях достаточно рассчитать или измерить эти показатели до и после улучшения ЭМС.
Вместе с тем улучшение ЭМС может оказаться целесообразным и тогда, когда ее показатели находятся в допустимых пределах. В этом случае возникает задача оптимизации, так как, с одной стороны, улучшаются условия работы электроприемников и людей, но, с другой стороны, требуются дополнительные затраты. При решении такой задачи расчетным или измеренным показателям ЭМС требуется поставить в соответствие экономические показатели, обусловленные увеличением производительности, уменьшением расхода и потерь электроэнергии, улучшением условий эксплуатации.
Методы расчета и измерения показателей ЭМС при наличии средств ее обеспечения остаются прежними, изменяются лишь характеристики входных процессов в моделях ЭМС.
В данной работе рассматриваются нелинейные характеристики, поэтому использование аналитических методов оценивания ЭМС весьма затруднено. В связи с этим целесообразно переходить к статистическому многофакторному моделированию, которое более подробно будет рассмотрено ниже. В этом случае каждая реализация исходного случайного процесса преобразовывается в соответствии с динамической моделью устройства, в результате чего получается ансамбль реализаций искомого случайного процесса [3].
Отклонение напряжения — отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения. Отклонение напряжения в той или иной точке сети происходит под воздействием медленного изменения нагрузки в соответствии с её графиком.
Одним из основных требований, предъявляемых к системе электроснабжения, является поддержание напряжения U в допустимых для приемника пределах. При неизменном или медленно изменяющимся напряжении ЭМС оценивается по текущим значениям отклонений напряжения от номинального Uн:
V(t)=U(t) – Uн.
ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно ± 5% и ± 10% от номинального напряжения сети.
I. Технологические установки:
1. При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.
2. При повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.
3. При значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса.
II. Освещение:
1. Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1•Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.
2. При величине напряжения 0,9• Uном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.
При величине напряжения менее 0,9• Uном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8• Uном просто не загораются.
III. Электропривод:
1. При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.
2. При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9• Uном срок службы двигателя снижается вдвое.
3. При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3...7 %. Снижается эффективность работы привода и сети [4].
Ответственность за поддержание напряжения в пределах, установленных стандартом [5], возлагается на энергоснабжающую организацию. ГОСТ 13109-97 устанавливает допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмника. Пределы же изменения напряжения в точке присоединения потребителя должны рассчитываться с учетом падения напряжения от этой точки до электроприёмника и указываться в договоре энергоснабжения.
Существуют два основных способа обеспечения требований по отклонениям напряжения в электрической сети. Первый способ заключается в регулировании уровня напряжения в центре питания (ЦП) и у потребителя. Технически это осуществляется путем изменения коэффициента трансформации с помощью систем переключения витков обмоток трансформатора без возбуждения (ПБВ) и регулирования под нагрузкой (РПН). Также используются линейные регуляторы напряжения.
Второй способ, основанный на снижении потерь напряжения в питающих линиях, может быть реализован за счет снижения активного и реактивного сопротивлений. Снижение активного сопротивления достигается увеличением сечения проводов, а реактивного – применением устройств продольной емкостной компенсации (УПК). Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему уменьшается ее реактивное сопротивление.
Эффективным средством регулирования напряжения являются источники реактивной мощности. Их воздействие основано на снижении перетоков реактивной мощности по линиям питающей сети, т. е. на снижении составляющей потерь напряжения. В качестве источники реактивной мощности используются синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения, конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы и статические тиристорные компенсаторы [6].
Из практики известно, что закономерности, наблюдаемые в массовых случайных явлениях, проявляются тем точнее и отчетливее, чем больше объем статистического материала. Но даже при бесконечном количестве N опытов нельзя точно найти вероятностные характеристики. Однако при достаточно большом N вероятность расхождения между опытными и теоретическими значениями мала, поэтому опытные результаты можно принимать в качестве исходных.
При обработке таких статистических данных часто возникает вопрос об определении законов распределения тех или иных случайных величин (законы Гаусса, Пуассона, Симпсона и др.). Но на практике из-за трудностей проведения эксперимента число наблюдений, а следовательно и количество экспериментальных данных всегда ограничено (20-30 и менее), поэтому результаты наблюдений и их обработки всегда содержат ту или иную долю случайности. В связи с этим требуется выбрать такие оценки для искомых характеристик, которые приводили бы к меньшим ошибкам [7].
Известно, что всякая случайная величина может быть полностью описана с вероятностной точки зрения, если известно распределение между отдельными значениями этой случайной величины. Другими словами можно сказать, что любая случайная величина подчинена тому или иному закону распределения.
На практике наиболее встречающийся закон распределения – нормальный закон (часто называемый законом Гаусса), главная особенность которого в том, что к нему приближаются другие законы распределения при часто встречающихся типичных условиях. Одна из задач работы – выяснить, подчиняется ли случайная величина отклонения напряжения нормальному закону распределения. Эта задача решалась следующим образом:
1. В течении каждого месяца были произведены измерения напряжения в одни и те же интервалы времени; определено среднее значение измеряемой величины.
2. Для оценки полученных значений были найдены следующие параметры, характеризующие нормальное распределение: среднее значение, дисперсия, среднее квадратическое отклонение(стандарт); построены статистические функции распределения нормального закона.
3. Найдены минимальное χmin и максимальное χmax значения случайной величины согласно с интегральной вероятностью 95%, которой соответствуют вероятности Eχ =0,05 для минимального и Eχ =0,95 для максимального значений; минимальное χп min и максимальное χп max расчетные значения; относительные расхождения σп min и σп max.
4. Сделано сравнение получившихся расхождений с граничными; в случае, если они не превышают 10%, можно утверждать, что исследуемая величина не противоречит нормальному закону распределения.
Для наглядности представим полученные результаты для одного из зимних месяцев в виде двух таблиц.
Таблица 1 – Параметры нормального распределения
| Параметры | 8:00 | 19:00 |
| χс , B | 220,2 | 217,8 |
| D , B | 2,17 | 5,11 |
| σ , B | 1,47 | 2,26 |
Таблица 2 – Сопоставление расчетных значений
| Расчетные значения | 8:00 | 19:00 |
| χmin , B | 217,5 | 213,8 |
| χmax , B | 222 | 222,5 |
| χп min , B | 217,8 | 213,8 |
| χп max , B | 222,6 | 221,8 |
| σп min , % | 0,87 | 0,13 |
| σп max , % | 8,8 | 4,33 |
На основании полученных результатов сделаем вывод о том, что изменение напряжения во времени представляет собой нестационарный случайный процесс и одновременно с этим подчиняется нормальному закону распределения.
График нормального закона распределения представлен на рис. 1.
Рисунок 1 – Нормальный закон распределения (данное изображение является анимацией со следующими параметрами количество кадров – 7; количество циклов повторения – 5; объем в килобайтах – 26,4)
Вторым методом исследования величины отклонения напряжения было ее исследование посредством корреляционной функции и ее характеристик.
Нередко случается, что у двух случайных функций примерно одинаковые математические ожидания и дисперсии. Однако характер этих случайных функций может быть резко различен. Другими словами – внутренняя структура обоих случайных процессов может быть совершенно различна, но это различие не улавливается ни математическим ожиданием, ни дисперсией.
В этом случае, для его описания вводится специальная характеристика – корреляционная функция (автокорреляционная функция). Она характеризует степень зависимости между сечениями случайной функции, относящимися к различным временным значениям [7].
Алгоритм действий следующий:
1. В течении каждого месяца опытным путем произведены замеры напряжения в одно и тоже время суток – в 19:00 (вечерний максимум нагрузки). Определено среднее значение измеряемой величины.
2. Был построен график функции из пяти реализаций, намечены сечения и сняты значения функции в этих сечениях.
Функция отклонения напряжения представлена совокупностью пяти реализаций. Данная случайная функция сведена к системе тридцати случайных величин, отвечающих сечениям t=1; 2; ... 30. На рис. 2 представлен график математического ожидания корреляционной функции.
3. Найдены характеристики случайной функции: математическое ожидание mx(t), дисперсия Dx(t), среднее квадратическое отклонение σx(t).
Рисунок 2 – График математического ожидания корреляционной функции
4. Проведен анализ измеренных и полученных данных (математическое ожидание и дисперсия не постоянны), приняв во внимание достаточно ограниченное число обработанных реализаций и в связи с этим наличие большого элемента случайности в полученных оценках.
Вывод: отклонение напряжения – нестационарный случайный процесс; для лучшего исследования характеристик корреляционной функции необходимо увеличить число реализаций.
Низкое качество электрической энергии в электрических сетях вызывает значительное ухудшение технико-экономических показателей основного электросилового оборудования и электроприемников. Причем низкое качество напряжения в некотором узле системы определяет ухудшение технико-экономических показателей электроприемников данного узла, а искажения формы тока, увеличение угла его фазового сдвига относительно напряжения, а также ассиметрия трехфазной системы токов вызывают ухудшение технико-экономических показателей источников электрической энергии рассматриваемого узла.
Наиболее мощным источником искажений в установившихся режимах работы являются полупроводниковые преобразователи, значительную долю которых составляют преобразователи переменного напряжения в постоянное, характеризуемое низким коэффициентом мощности [8].
На рис. 3 качественно показано, как изменяется уровень отклонения напряжения вдоль участка сети от ЦП до потребителей, откуда видно, что требования по отклонениям напряжения для удаленных ЭП могут не выполняться. Автоматическая система РПН в трансформаторе может существенно исправить положение.
Рисунок 3 – Изменение уровня отклонения напряжения вдоль участка сети от ЦП до потребителей
В настоящее время известны два основных способа обеспечения высокого качества напряжения:
– снижение потерь напряжения;
– регулирование напряжения.
Снижение потерь напряжения достигается:
а) выбором сечения проводников линий электропередач по условиям потерь напряжения;
б) применением продольной емкостной компенсации реактивного сопротивления линии;
в) компенсацией реактивной мощности для снижения ее передачи по электросетям, с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения.
Регулирование напряжения можно осуществить следующими способами:
а) с помощью трансформаторов, установленных на энергоснабжающем предприятии, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки;
б) с помощью промежуточных трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках (РПН, ПБВ) с различными коэффициентами трансформации.
Необходимо подчеркнуть, что часто по ряду причин энергоснабжающие организации не уделяют должного внимания контролю состояния системы РПН или ПБВ. Кроме того, величина напряжения меняется в течении суток. Поэтому желательно применять автоматическое регулирование, что позволит решить обе проблемы, изложенные выше.
1. Сформулированы основные задачи обеспечения ЭМС. Выполнена проверка придерживания норм ГОСТ 13109-97 на одноминутные отклонения напряжения.
2. В полном объеме раскрыто понятие отклонение напряжения; рассмотрено ее влияние на работу электрооборудования, ответственность и меры компенсации.
3. Выполнен анализ качества напряжения с учетом многофакторного моделирования (закона Гаусса и корреляционной функции), благодаря которому можно утверждать, что изменение напряжения во времени представляет собой нестационарный случайный процесс, для изучения которого необходимо записывать суточные графики нагрузки.
4. Проанализированы основные проблемы, связанные с регулированием напряжения в городских сетях, а также даны рекомендации по улучшению его качества.
5. Планируется получить суточные графики нагрузки, что позволит уточнить результаты практических исследований и выбрать рекомендации для организации по улучшению качества напряжения.
1. ГОСТ 30372-95. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. – Введ. 01.01.1997.
2. Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. – Донецк: Норд-Пресс, 2005. – 250 с.
3. Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. – Киев: Наукова думка, 1984. – 271 с.
4. Ланцова А.В. – материалы, дающие краткую характеристику отклонению напряжения. – http://e-audit.ru/quality/deviation.shtml.
5. 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.
6. Сапунов М. – Показатели качества электроэнергии, их влияние на работу электрооборудования, мероприятия по улучшению. – http://www.news.elteh.ru/arh/2001/10/03.php.
7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. – 576 с.
8. Дьяченко Р.А. – Способы повышения качества электрической энергии. – http://www.rae.ru/snt/pdf/2004/02/Dyachenko.pdf.
9. Прикладные методы теории случайных функций. – М.: Наука, 1968. – 463с.
10. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1978. – 400 с.