ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1.Влияние качества электроэнергии на эффективность электроснабжения

Электрическая энергия является единственным видом продукции, для перемещения которого от мест производства до мест потребления не используются другие ресурсы. Для этого расходуется часть самой передаваемой электроэнергии, поэтому ее потери неизбежны, задача состоит в определении их экономически обоснованного уровня. Снижение потерь электроэнергии в электрических сетях до этого уровня - одно из важных направлений энергосбережения [1].

Рост потерь энергии в электрических сетях определен действием вполне объективных закономерностей в развитии всей энергетики в целом. Основными из них являются: тенденция к концентрации производства электроэнергии на крупных электростанциях; непрерывный рост нагрузок электрических сетей, связанный с естественным ростом нагрузок потребителей и отставанием темпов прироста пропускной способности сети от темпов прироста потребления электроэнергии и генерирующих мощностей.

Анализ зарубежного опыта показывает [2], что рост потерь электроэнергии в сетях является объективным процессом для стран с кризисной экономикой и реформируемой энергетикой. Он указывает на имеющийся разрыв между платежеспособностью потребителей и тарифами на электроэнергию, на недостаточность инвестиций в сетевую инфраструктуру и систему учета электроэнергии, на отсутствие полномасштабных автоматизированных информационных систем по сбору и передаче данных о полезном отпуске электроэнергии, структуры потоков электроэнергии по ступеням напряжения, балансам электроэнергии в электрических сетях. В странах, где перечисленные факторы имеют место, потери электроэнергии в электрических сетях, как правило, высоки и имеют тенденцию к росту. Динамика потерь в электрических сетях стран СНГ за 10-12 лет показывает, что они в этом смысле не являются исключением.

2. Влияние несимметрии и высших гармоник на работу электропотребителей

Внедрение в экономику новых технологических процессов, связанных с применением мощных несимметричных, нелинейных и быстроизменяющихся нагрузок, вызывает ухудшение показателей качества электроэнергии (КЭ). К ним относятся однофазные установки электрошлакового переплава, однофазные индукционные печи являются мощными несимметричными нагрузками и источниками высших гармоник. Трехфазные дуговые сталеплавильные печи также являются источниками несимметрии и высших гармоник. Вентильные преобразователи вносят значительные искажения в форму кривой напряжения сети, являясь мощными генераторами высших гармоник при регулировании напряжения изменением угла управления.

Из-за снижения качества электроэнергии увеличиваются потери мощности и электроэнергии в электрических сетях и в электрооборудовании, уменьшается пропускная способность сетей, ухудшаются технологические процессы, снижается производительность и повышается износ оборудования. Высшие гармоники тока и напряжения отрицательно влияют на работу электронных систем управления, релейной защиты, автоматики, создают резонансные явления в контурах, образованных индуктивностью сети и емкостью конденсаторных установок. Это приводит к их перегреву и выходу из строя.

Снижение показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных предприятий вызывает отрицательные последствия. Наиболее существенными из них являются:

- ущерб от нарушения нормального хода технологических процессов при отклонениях и колебаниях напряжения и других показателей КЭ;

- увеличение потерь электроэнергии в обмотках электрических машин и сетях;

- сокращение срока службы электрооборудования;

- увеличение капитальных вложений в системы электроснабжения.

Высокий уровень высших гармоник оказывает вредное воздействие на качество и надежность работы электроприемников в системе электроснабжения предприятия:

- снижается коэффициент мощности за счет мощности искажения, возрастают потери в сети и, в частности, добавочные потери в электродвигателях. Так, например, если амплитуды пятой и седьмой гармоник напряжения составляют соответственно 20 и 15 % амплитуды 1-й гармоники, то коэффициент мощности двигателя уменьшается на 2,6% по сравнению со значением его при синусоидальном напряжении [3];

- происходит ускоренное старение изоляции электрических машин и аппаратов, кабелей. Искажение формы кривой напряжения заметно сказывается на протекании ионизационных процессов в изоляции оборудования. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация зарядов связана с расширением энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик; в результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит снижению ее электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечно м случае к сокращению срока службы; так как при работе кабелей при уровне высших гармоник в кривой напряжения в пределах 6 - 8,5% (преобладали 5-я и 7-я гармоники) токи утечки через 2,5 года эксплуатации оказались на 36% больше, чем при работе кабелей при синусоидальном напряжении [3];

- ограничивается применение батарей косинусных конденсаторов из-за возможных резонансных явлений на высших гармониках или перегрузки батареи по току. При наличии высших гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает более интенсивно. Это объясняется тем, что физико-химические процессы старения их значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием высших гармоник. Например, при коэффициенте несинусоидальности (kнс) равным 5% через 2 года эксплуатации коэффициент диэлектрических потерь tg? конденсаторов увеличивается в 2 раза [4];

- снижается эффективность устройств в компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю, так как большие остаточные токи высших гармоник создают повышенную опасность междуфазного повреждения кабелей. Опыт эксплуатации показывает, что при kнс?8%, число однофазных замыканий на землю за год оказывается на 30 – 40% больше, чем в сетях тех цехов, где нет вентильных преобразователей. При резонансной настройке дугогасящих аппаратов компенсируется емкостной ток промышленной частоты. Однако через место повреждения проходят значительные токи высших гармоник, и, в результате, вследствие прожигания кабеля однофазные замыкания часто переходят в трехфазные в месте первого пробоя . Известны отдельные случаи, когда эти токи достигали 40 – 50 А и практически каждое однофазное замыкание переходило в двухфазное;

- ухудшается качество работы систем фазного управления вентилями и устройств автоматики, получающих питание от силовых сетей. Например, воздействие гармоник на индукционные датчики положения могут привести к нарушению технологического процесса. Такие случаи имели место на машиностроительных предприятиях;

- затрудняется (а в ряде случаев оказывается невозможным) использование силовых цепей в качестве каналов связи для передачи информации;

- увеличиваются погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии. Последние имеют отрицательную частотную погрешность на частотах высших гармоник. В зависимости от того, линейна или нелинейна нагрузка, возможен «переучет» либо «недоучет» потребляемой электроэнергии [5].

2.1 Вращающиеся машины.

Момент вращения и скольжения асинхронных двигателей зависит от напряжения на их зажимах. При понижении напряжения затрудняется пуск двигателей и снижается скорость вращения, что приводит к падению производительности механизмов и увеличению потребляемого тока, то есть к росту потерь в сети. При повышении напряжения растет потребление реактивной мощности, старение и износ изоляции. Например, повышение напряжения на 1% приводит к увеличению потребления реактивной мощности на 3%. Появление в сети несимметрии напряжения приводит к значительному увеличению потерь активной мощности в обмотках двигателей из-за низкого сопротивления обратной последовательности и к снижению вращающего момента двигателя.

Сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5-7 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому допустимая для двигателей несимметрия напряжения ограничивается 2%, иначе резко снижается срок службы двигателей. При такой несимметрии напряжения срок службы асинхронных двигателей снижается на 11%, а при 4% - практически в два раза. Более 20 % асинхронных двигателей выходят из строя в результате работы в несимметричных режимах.

Для синхронных двигателей при допустимой несимметрии 2% срок службы снижается на 16%, для конденсаторов – на 20%, для трансформаторов – на 4%.

Такое же отрицательное влияние на работу вращающихся машин оказывает снижение других показателей электроэнергии. Так, при уменьшении напряжения на 10 % срок службы асинхронных двигателей снижается в два раза. Высшие гармоники вызывают в двигателях повышенные потери активной мощности из-за более высокого сопротивления обмоток токам повышенной частоты.

2.2 Электроосветительные лампы

Отклонение напряжения влияет на срок службы ламп, световой поток и освещенность. При снижении напряжения мощность, потребляемая лампой, снижается. Но световой поток при этом падает быстрее. Так, при отклонении напряжения на 10% световой поток снижается на 40%. Пуск и работа люнинесцентных ламп при таком отклонении напряжения становятся ненадежными. Повышение напряжения на 10 % на осветительных установках снижает срок их службы в 4 раза.

Снижение освещенности влияет на производительность труда.

2.3 Силовые конденсаторы

Силовые конденсаторы являются статическими устройствами с одинаковыми сопротивлениями токам прямой и обратной последовательности. Конденсаторы особенно подвержены негативному влиянию высших гармоник, так как их сопротивление токам высших гармоник уменьшается с ростом частоты, что приводит к перегрузке конденсаторов по току.

2.4 Электротехнологические установки

Электротехнологические установки при снижении напряжения характеризуются снижением производительности, ухудшением температурного режима, увеличением длительности технологического процесса и перерасходом электроэнергии.

2.5 Электролизное производство

Электролизное производство. При снижении напряжения на электролизных ваннах (например, хлора, алюминия, магния) уменьшается оптимальный ток, при котором обеспечивается наивысшая производительность, и повышается расход электроэнергии. В результате производительность падает примерно пропорционально падению напряжения.

2.6 Трансформаторы

Трансформаторы (как и конденсаторы) являются статическими устройствами, поэтому протекание в них токов обратной последовательности и токов высших гармоник вызывает дополнительные потери.

2.7 Электронные устройства автоматики

Электронные устройства автоматики подвержены влиянию высших гармоник, поэтому для обеспечения нормальных условий их работы необходимо ограничить значение коэффициента несинусоидальности или же уменьшать отдельные гармоники тока или напряжения.

2.8 Линии электропередач (ЛЭП)

Линии электропередач (ЛЭП), как и силовые трансформаторы, создают дополнительные потери при протекании в них токов обратной последовательности и токов высших гармоник. Несимметрия токов в ЛЭП и трансформаторах уменьшает их пропускную способность. При этом в трехфазной системе появляются более загруженные и недогруженные фазы, что приводит к увеличению суммарных потерь. Исследования, проведенные в низковольтных сетях, показали, что несимметрия приводит к увеличению потерь почти на 40% по сравнению с симметричным режимом работы.

3. Способы уменьшения высших гармоник

Основными способами подавления высших гармоник тока является применение:

- линейных дросселей,

- пассивных фильтров,

- разделительных трансформаторов,

- магнитных синтезаторов,

- активных кондиционеров гармоник.

4. Включение линейных дросселей.

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей (рис. 1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) Ka и коэффициент искажения Kи входного тока.

Kоэффициент амплитуды:

где:

Iим - амплитуда импульса тока,

I - действующее значение несинусоидального тока.

где:

I1 - действующее значение основной (первой) гармоники тока,

In - действующее значение "n"-ой гармоники тока

Kоэффициент искажения тока:

Кривые токов нелинейных нагрузок

Рисунок 1 – Диаграмма состояний автомата:
а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

5. Применение пассивных фильтров

Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10% . Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более. На рис. 2г приведена реализация трехфазного LC-фильтра, применяемого как опциональное устройство в 3-х фазных UPS.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров:

- нескомпенсированный LC-фильтр;

- скомпенсированный LC-фильтр;

- нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.

Пассивные фильтры

Рисунок 2 – Пассивные фильтры:
a) некомпенсированный LC-фильтр; б) компенсированный LC-фильтр; в) некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором; г) трехфазный вариант LC фильтра.

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику (рис. 4а). Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Недостатком такого фильтра является следующее. При использовании в качестве первичного источника питания дизель-генераторную установку (ДГУ) с ограниченной установочной мощностью, последний может обеспечить относительно низкое значение емкостной составляющей тока нагрузки (10-30%).

При включении UPS на ДГУ, когда осуществляется "мягкий" старт выпрямителя, активная мощность, потребляемая нагрузкой, равна нулю и генератор ДГУ оказывается нагруженным только на емкостное сопротивление фильтра. Значительная емкостная составляющая потребляемого от генератора тока может привести к нарушению нормальной работы генераторной системы и отключению ДГУ. Следовательно, возможность использования нескомпенсированных LC-фильтров должна быть проанализирована с точки зрения согласования характеристик генератора и параметров фильтра.

Скомпенсированный фильтр содержит дополнительную поперечную индуктивность Др3, способствующую тому, что фильтр по отношению к генератору имеет индуктивный характер (рис. 2б). Это снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора в пусковом и установившемся режимах. Однако наличие Др3 приводит к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Нескомпенсированный фильтр с коммутатором удобен при использовании ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью UPS. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода UPS на номинальный режим (рис. 2в).

Таким образом, не требуется применение ДГУ завышенной мощности и не снижается коэффициент мощности системы.

Применение специальных разделительных трансформаторов. Разделительный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора

6. Применение специальных разделительных трансформаторов.

Разделительный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.

При несинусоидальных токах возрастают потери в трансформаторах главным образом за счет потерь на вихревые токи, что требует увеличение их установочной мощности или применения специальных К-фактор трансформаторов. К-фактор трансформаторы отличаются от стандартных трансформаторов тем, что имеют дополнительную теплоемкость, позволяющую выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками тока. Кроме того, специальная конструкция такого трансформатора позволяют свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости.

К-фактор представляет собой коэффициент, характеризующий вклад высших гармоник в процесс нагрева трансформатора. Если К-фактор равен единице, то это означает, что нагрузка линейная и в цепи протекает синусоидальный ток. Значения К-фактора выше единицы указывают на дополнительные тепловые потери при нелинейных нагрузках, которые трансформатор способен безопасно рассеять.

7. Применение магнитных синтезаторов

Магнитный синтезатор, выпускаемый Liebert Corporation, обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.

Пассивные фильтры РРисунок 3 – Блок-схема магнитного синтезатораисунок

Блок-схема магнитного синтезатора представлена на рис. 3. Линейные дроссели преобразуют входной источник напряжения в источник тока. В этом случае ток блока трансформаторов не зависит от меняющихся в широких пределах (± 40%) значений входного напряжения. Такой способ передачи энергии практически полностью исключает помехи и возможные колебания входного напряжения. Через блок гальванической развязки энергия передается в блок импульсных трансформаторов и блок конденсаторов. Шесть соединенных друг с другом импульсных трансформаторов с насыщением создают форму синтезированного напряжения. Каждый трансформатор генерирует на полупериоде один из шести импульсов с определенной вольт-секундной площадью (рис. 4), обеспечиваемой специальной конструкцией трансформаторов и блоком конденсаторов. Непрерывный обмен энергией, накопленной в блоке импульсных трансформаторов и в блоке конденсаторов, обеспечивает глубокое насыщение сердечников трансформаторов и точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде и длительности

Пассивные фильтры

Рисунок 4 – Процесс формирования выходного напряжения магнитного синтезатора

Провалы напряжения

Передача электроэнергии от районных подстанций и электростанций энергосистемы к потребителям через воздушные ЛЭП 110-750 кВ неизбежно связана с кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) потребителей в виде провалов и исчезновений напряжения, которые возникают из-за коротких замыканий и грозовых повреждений ЛЭП. Во всех странах проблемы действия КНЭ на работу потребителей становятся все острее по мере усложнения технологических процессов предприятий и в связи с их автоматизацией [6].

Традиционные схемные решения - две питающие воздушные ЛЭП, два трансформатора ГПП, два трансформатора на уровне цеховых подстанций с автоматикой (АПВ АВР) - считались достаточными для надежного электроснабжения потребителей. Однако с развитием технологий появились потребители высокочувствительные к нарушениям по цепи питания. Отключение к.з. на ВЛЕП осуществляется за 0,12 - 0,30 с, но за это время происходят сбои в роботе управляющих систем, нарушение работы электропривода и др. что приводит к остановкам непрерывных технологических процессов. Особенно это касается схем ПС где установлены отделители с короткозамыкателями в цепях трансформаторов на высокой стороне

Решение задач обеспечения электроснабжения современных технологических процессов (с ростом автоматизации, применением регулируемого электропривода, микропроцессорных систем управления и компьютеризацией инженерного труда) привело к осознанию, что КНЭ объективно присущи современной системе производства и транспорта электроэнергии. При этом можно отметить, что если в стандарте на качество электроэнергии (ГОСТ 13109–87) такой показатель КНЭ как провал напряжения и его характеристики (глубина и длительность) отсутствовали, то уже в новой редакции этого стандарта (ГОСТ 13109–97) они появились, хотя и без нормативных значений [7].

Целью работы является поиск решений уменьшения дополнительных потерь мощности от некачественной электроэнергии и анализ требований к остаточному напряжению в сетях потребителей, которые оснащены источниками высших гармоник

Список источников

  1. Железко Ю.С. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. - М.: НУ ЭНАС, 2002. - 280с
  2. Бохмат И.С., Воротницкий В.Э., Татаринов Е.П. Снижение коммерческих потерь электроэнергии в электроэнергетических системах // Электрические станции. –1998. – N 9.– С.53-59.
  3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 160с.
  4. Jasicki Z. Wplyw dobowych warah hapiecia w sieci I vyzszych harmonicznych na starzenie kondensatorow. – “Energetyka”, 1966. V.20, #8, p 15-19..
  5. Скрябинский В.С. Точность учета электрической энергии в мощных нелинейных цепях. – Киев.: И ЭД АН УССР, 1974. – 62с«Вильямс», 2002. – 528 с.
  6. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности работы электрооборудования предприятий с непрерывным технологическим процессом / Прокопчик В.В. – Гомель:ГГТУ им. П.О. Сухого, 2002, 283 с..
  7. ГОСТ 13109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.08.99. Меж. гос. совет по стандарт., метрологии и сертификации. Мн.: Изд-во стандартов, 1999. 31 с.
  8. XST User Guide for Virtex-4, Virtex-5, Spartan-3, and Newer CPLD Devices [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.xilinx.com/support....