Русский   English
 

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

З розвитком електрообладнання на промислових підприємствах зросло впровадження електроприймачів з нелінійними вольтамперними характеристиками. У зв’язку з цим під несинусоїдальністю напруги розуміють викривлення синусоїдальної форми кривої напруги.

При проектуванні електропостачання необхідно передбачати заходи щодо нормалізації режимів електричних мереж, що живлять електроприймачі, робота яких несприятливо впливає на якість електроенергії. Рішення проблеми якості електроенергії є однією з найбільш важких для виконання при проектуванні електропостачання. Необхідно забезпечувати належну якість електроенергії, встановлену відповідними стандартами, правилами влаштування та експлуатації.

1. Вплив несинусоїдальності напруги

У трифазних мережах якість електроенергії характеризується відхиленнями напруги, коливаннями напруги і частоти, несинусоїдальною формою кривої напруги, а також несиметрією напруг і зміщенням нейтралі. Показники якості електроенергії повинні відповідати вимогам ГОСТ 32144-2013 [1], в якому регламентовані норми якості і допустимі відступи. Заходи щодо забезпечення показників якості електроенергії, наведені в [1], повинні вирішуватися комплексно при проектуванні електропостачання. Вони повинні базуватися на раціональній технології та режимах виробництва, правильному виборі типів і параметрів електрообладнання також на оптимальному рішенні системи електропостачання в цілому з урахуванням енергетичних та технологічних факторів.

Необхідно передбачати і опрацьовувати обов’язкові рекомендації і заходи щодо здійснення при експлуатації необхідного щоденного контролю показників якості електроенергії та з проведення необхідних і своєчасних перемикань при різних режимах роботи. У зв’язку з цим в проектах повинні передбачатися прилади та пристрої, необхідні для контролю показників якості електроенергії в [1].

Дотримання показників [1] сприяє збільшенню випуску продукції, підвищенню її якості і загальної рентабельності виробництва. Промислові підприємства зобов’язані вживати заходи, щоб такі показники якості електроенергії, як несинусоїдальність форми кривої напруги, коливання напруги, несиметрія знаходилися в межах нормованих величин, так як погіршення цих показників викликане роботою певних видів електроприймачів і практично не залежить від енергосистеми [2].

В електричних мережах спотворення кривої напруги призводять до наступних негативних наслідків:

• погіршується, а іноді і порушується робота приймачів електроенергії, в тому числі і тих, які створюють несинусоїдальність в електричних мережах;

• виходять з ладу комп’ютери;

• прискорення старіння ізоляції електричних машин, апаратів і кабелів, що призводить до зменшення надійності і терміну служби електроустаткування;

• погіршується точність електричних вимірювань;

• з’являються порушення в роботі автоматики, телемеханіки та релейного захисту;

• ускаднення, а в ряді випадків стає неможливим використання силових ланцюгів в якості каналів для передачі інформації;

• обмеження сфери застосування батарей конденсаторів через перевантаження їх струмами вищих гармонік і виникнення резонансних явищ.

2. Чим небезпечні вищі гармоніки?

Ефекти, викликані проявом вищих гармонік можна розділити за тривалістю впливу на миттєві і тривалі. До миттєвих прийнято відносити: викривлення форми напруги живлення, падіння напруги на розподільчій мережі, ефекти від гармонік, в тому числі резонанс на частоті гармонік, шкідливі наведення на мережі передачі даних, шум у акустичному діапазоні, вібрація машин. До тривалих відносяться: надлишкові втрати на нагрів в генераторах і трансформаторах, перегрів конденсаторів і розподільних мереж (провідників).

Розглянемо докладніше вплив гармонік напруги і струму на ізоляцію електричних машин і конденсаторів, а також на пристрої автоматики. Спотворення форми кривої напруги негативно позначається на виникненні і протіканні процесів іонізації в ізоляції електричних машин і трансформаторів. При протіканні газових включень в ізоляції виникає іонізація, сутність якої полягає в утворенні об'ємних зарядів і подальшої їх нейтралізації. Нейтралізація зарядів пов’язана з розсіюванням енергії, наслідком цього є механічне, електричне і хімічний вплив на навколишній діелектрик. У зв’язку з цим розвиваються місцеві дефекти в ізоляції, що призводить до збільшення діелектричних втрат і до скорочення терміну служби.

У трансформаторах гармоніки напруги викликають збільшення втрат на гістерезис, втрати, пов’язані з вихровими струмами в сталі, і втрати в обмотках. Крім того, скорочується термін служби ізоляції. Збільшення втрат в обмотках найбільш важливо в разі перетворювального трансформатора, так як наявність фільтра, приєднаного зазвичай до сторони змінного струму, не знижує гармонік струму в трансформаторі. Крім того, можуть спостерігатися локальні перегріви трансформаторного бака. Негативний аспект впливу гармонік на потужні трансформатори полягає в циркуляції потроєного струму нульової послідовності в обмотках, з’єднаних в трикутник. Це може привести до їх перевантаження.

У двигунах гармоніки напруги і струму призводять до появи додаткових втрат в обмотках ротора, в ланцюгах статора, а також в стали ротора і статора. Через вихрових струмів і поверхневого ефекту втрати в провідниках статора і ротора більше, ніж визначаються провідникові. Струми витоку, що викликаються гармоніками в торцевих зонах статора і ротора, також призводять до додаткових втрат. Додаткові втрати – одне з негативних явищ, що викликається гармоніками в обертових машинах. Вони призводять до підвищення загальної температури машини і до місцевих перегрівів, найбільш імовірним в роторі, що може привести до серйозних наслідків. Також слід зазначити, що при певних умовах накладення гармонік може виникнути механічна вібрація ротора [3].

У кабельних лініях гармоніки напруги збільшують вплив на діелектрик паралельно зі збільшенням максимального значення амплітуди. Це, в свою чергу, збільшує число ушкоджень кабелю і вартість ремонтів.

У батареях конденсаторів гармоніки струму також призводять до додатковим втрат енергії. У зв’язку з цим відбувається додатковий нагрів конденсатора, який може привести до виходу останнього з ладу. Також можливе пошкодження конденсатора при виникненні гармонійних резонансів в мережі.

Гармоніки можуть порушувати роботу пристроїв захисту або погіршувати їх характеристики. Характер порушення залежить від принципу роботи пристрою. Найбільш поширеними є помилкові спрацьовування, які вірогідні в роботі систем захисту, заснованих на вимірюванні опорів. Вплив гармонік на індукційні прилади вимірювання потужності та обліку електроенергії призводить до погіршення точності результатів їх вимірювань.

Також слід зазначити вплив гармонік, що виникають в силових ланцюгах, на сигнали в лініях зв’язку (зокрема, в телефонних лініях). Малий рівень шуму призводить до певного дискомфорту, при його збільшенні частина переданої інформації втрачається, а у виняткових випадках зв’язок стає неможливою. У зв’язку з цим при будь-яких технологічних змінах систем електропостачання та систем зв’язку необхідно розглядати вплив ліній електропередачі на лінії телефонного зв’язку.

Люмінесцентні та ртутні лампи. Баластні пристрої цих ламп іноді містять конденсатори і при певних умовах може виникнути резонанс, що приводить до виходу ламп з ладу.

Вплив вищих гармонік на перетворювальне обладнання. Вирізи на синусоїді напруги, що виникають під час комутації вентилів, можуть впливати на синхронізацію іншого подібного обладнання або пристроїв, керування якими здійснюється в момент переходу кривої напруги нульового значення.

3. Нормування несинусоїдальності напруги

Нормальна робота електрообладнання залежить від якості електроенергії живильної системи. Взаємний вплив електрообладнання і живильної системи називають електромагнітною сумісністю.

На промислових підприємствах застосовують пристрої з нелінійної вольтамперной характеристикою. Характерною особливістю цих пристроїв є споживання ними з мережі несинусоїдальних струмів при підведенні до затискачів синусоїдальної напруги. Несинусоїдальні криві струмів можна розглядати як складні гармонійні коливання, що складаються з сукупності простих гармонійних коливань різних частот. При цьому періодичну функцію зміни несинусоїдальних струмів можна розкласти в ряд Фур’є:

формула

де v – номер гармоніки;

av, bv – коефіцієнти ряду Фур’є;

n – номер останньої з гармонік, яку враховують.

При v=1 визначають першу гармоніку або основну (з частотою 50 Гц), інші члени ряду називають вищими гармоніками.

Токи вищих гармонік, проходячи по елементам мережі, викликають падіння напруги в опорах цих елементів, які, накладаючись на основну синусоїду напруги, призводять до спотворення форми кривої напруги.

Норми якості електроенергії, що встановлюються стандартом [4], є рівнями електромагнітної сумісності для електромагнітних завад в системах електропостачання загального призначення. При дотриманні зазначених норм забезпечується електромагнітна сумісність електричних мереж систем електропостачання загального призначення і електричних мереж споживачів електроенергії (приймачів електроенергії).

Несинусоїдальність напруги у всіх стандартах оцінюється за коефіцієнтами KU викривлення синусоїдальності напруги. Несинусоїдальність напруги характеризується такими показниками як [5]:

• коефіцієнт n-ої гармонійної складової напруги:

формула

• коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги:

формула

Інтервал усереднення кількість N спостережень має бути рівним не менше 9.

Нормально допустимі і гранично допустимі значення коефіцієнта спотворення синусоидальности кривої напруги в точках загального приєднання до електричних мереж з різним номінальним напругою наведені в [2].

Нормально допустимі значення коефіцієнта n-ої гармонійної складової напруги в точках загального приєднання до електричних мереж з різним номінальним напругою Uн наведені в [2].

4. Зниження несинусоїдальності напруги і струму

У тих випадках, коли значення струмів або напруг вищих гармонік більше допустимих необхідно передбачати ряд заходів щодо зниження несинусоїдальності напруг і струмів. Доцільність заходів щодо зниження несинусоїдальності може бути також обумовлена і поліпшенням техніко-економічних показників роботи елементів електричних мереж [6]. Зниження несинусоидальности можна здійснити одним із таких способів:

зменшення нелінійності джерела перешкод;

переклад харчування джерел перешкод на окрему секцію шин або на більш високу напругу;

використанням активних і пасивних фільтрів.

Зниження рівнів вищих гармонік, що генеруються перетворювачами, можна здійснити за рахунок збільшення числа фаз випрямлення в перетворювальних установках (як правило, до 12) або застосування спеціальних схем перетворювачів і законів управліннями ними, що забезпечують поліпшення форми кривої їх первинних, тобто струмів мережі.

Раціональна побудова схеми мережі з точки зору зниження несинусоїдальності складається в харчуванні нелінійних навантажень від окремих ліній або трансформаторів або підключенні їх до окремих обмоток триобмоткових трансформаторів.

Використання фільтрів – поширений спосіб зниження рівня вищих гармонік. Фільтр вищих гармонік є послідовно з’єднані реактор і конденсаторні батареї (мал. 1).

Схема фільтра вищих гармонік

Малюнок 1 – Схема фільтра вищих гармонік

де Rc – опір мережі;

xl, xc – опір реактора і конденсаторної батареї фільтра.

Параметри реактора і конденсаторної батареї підбирають так, щоб їх результуючий опір для певної частоти гармоніки дорівнювало нулю. У загальному випадку на кожну гармоніку потрібен свій фільтр. Фільтр утворює гілка з дуже малим опором, паралельну електричної мережі, шунтує її на частоті заданої гармоніки і відповідно знижує напругу цієї гармоніки [7]. Такі фільтри можуть приєднуватися як в місцях генерації вищих гармонік (на вентильних установках), так і в вузлах мережі з неприпустимим рівнем гармонік струму або при резонансі струмів.

Висновки

Батареї конденсаторів, що застосовуються в фільтрах, доцільно одночасно використовувати для компенсації реактивної потужності. Економічно доцільне застосування таких багатофункціональних пристроїв, призначених не тільки для зниження несинусоїдальності, але і для компенсації реактивної потужності. Такі установки часто називають фільтрокомпенсуючі [8].

Фільтри вищих гармонійних складових напруги

Малюнок 2 – Фільтри вищих гармонійних складових напруги
(анімація: 7 кадрів, повторюється завжди, 61 кілобайт)

Фільтри вищих гармонік покращують коефіцієнт потужності, значно знижуючи рівень вищих гармонік. Зменшення втрат, викликаних процесами передачі і розподілу електроенергії, покращують якісні показники електроенергії, підвищують надійність енергетичної системи об’єкта. Завдяки цим експлуатаційним характеристикам застосування фільтра вищих гармонік з’являється економічний ефект, який складається з таких чинників:

• зменшуються витрати на обслуговування обладнання;

• зменшується споживання електроенергії;

• підвищується якість і надійність електропостачання;

• мінімізується ризик штрафних санкцій, передбачених за недостатньо високий коефіцієнт потужності.

Вплив несинусоїдальності негативно позначається на роботі силового електрообладнання, систем захисту, автоматики, телемеханіки і зв’язку. В результаті впливу гармонік напруги виникають економічні збитки, які обумовлені погіршенням енергетичних показників, зниженням надійності функціонування електричних мереж і скороченням терміну служби електроустаткування. Тому важливо застосовувати засоби боротьби з несинусоїдальністю напруги.

Зменшення несинусоїдальності напруги сприяє підвищенню рентабельності виробництва, дозволяє зменшити втрати на електроенергію, а значить це вигідно з точки зору витрат, особливо коли кількість споживачів постійно зростає.

Перелік посилань

  1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014 – 20 с.
  2. Ермилов А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1983.
  3. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000.
  4. Кузнецов В. Г., Куренный Э. Г., Лютый А. П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. Д: Норд-Пресс, 2005. – 250 с.
  5. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000.
  6. Князевский Б. А., Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Высшая школа, 1979. – 431 с.
  7. Аррилага Д. М. Гармоники в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1990. – 215 с.
  8. Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1985.