Электротехнический факультет
Специальность: Электротехнические системы электропотребления
Тема выпускной работы:
Научный руководитель: Шлепнев Сергей Владимирович
Качество электрической энергии — важная и актуальная тема в настоящее время. 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.
Электроэнергия широко применяется практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Она 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. 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 последнее время большое 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.
Вопросами качества электроэнергии занималось очень много ученых, среди которых хочу выделить Шидловского А.К., Лютого А.П., а также ученых, работающих на нашем кафедре: Куренный Э.Г., Погребняк Н.Н., Коломытцев А.Д., Черникова Л.В. и множество других.
Актуальность работы определяется отсутствием аналитического решения задач оценки электромагнитной совместимости ЭМС.
Наиболее важная цель — исследовать величину отклонения напряжения от номинального значения в сельских сетях Донецкого региона.
Значение работы заключается в развитии теории ЭМС в области определения характеристик случайных процессов при помощи статистических вероятностных методов расчета.
Идея магистерской работы заключается в применении многофакторного моделирования, которое позволяет описать случайные процессы.
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.
Основным требованием, 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.
Влияние на работу электрооборудования:
— при снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.
— при повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.
— при значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса.
— снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1•Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.
— 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.
— при снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.
— 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.
— при повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3...7 %. Снижается эффективность работы привода и сети [4].
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 возможно регулировать напряжение при помощи изменения параметров электрической сети.
Данный тип переключения используется во время сезонных переключений, так как предполагает отключение трансформатора от сети, что невозможно делать регулярно, не лишая потребителей электроэнергии. ПБВ позволяет изменить коэффициент трансформатора в пределах от –5 % до +5 %. На маломощных трансформаторах выполняется с помощью двух ответвлений, на трансформаторов средней и большой мощности с помощью четырех ответвлений по 2,5 % на каждое [5]. Ответвления чаще всего выполняются на той стороне, напряжение на которой в процессе эксплуатации подвергается изменениям. Обычно это сторона высшего напряжения. Выполнение ответвлений на стороне высшего напряжения имеет также то преимущество, что при этом ввиду большего количества витков отбор ±2,5 % и ±5 % количества витков может быть произведён с большей точностью. Кроме того, ток на стороне высшего напряжения меньше и переключатель получается более компактным.
При переключении ответвлений обмотки при отключения трансформатора переключающее устройство получается проще и дешевле, однако переключение связано с перерывом энергоснабжения потребителей и не может проводиться часто. Поэтому этот способ применяется главным образом для коррекции вторичного напряжения сетевых понижающих трансформаторов в зависимости от уровня первичного напряжения на данном участке сети в связи с сезонным изменением нагрузки.
Схемы ПБВ представлена на рис. 1.
Данный тип переключений применяется для оперативных переключений, связанных с постоянным изменением нагрузки (например, днём и ночью нагрузка на сеть будет разная). В зависимости от того, на какое напряжение и какой мощности трансформатор, РПН может менять значение коэффициента трансформации в пределах от ±10 до ±16 % (примерно по 1,5 % на ответвление). Регулирование осуществляется на стороне высокого напряжения, так как величина силы тока там меньше, и соответственно, устройство РПН выполнить проще и дешевле. Регулирование может производиться как автоматически, так и вручную из ОПУ или диспетчерского пульта управления.
Работу переключателя числа витков под нагрузкой можно понять по двум показательным функциям. Это переключающее устройство, которое переносит проходную мощность трансформатора от одного переключателя числа витков трансформатора к соседнему переключателю числа витков. Во время этой операции оба переключателя числа витков соединены посредством переходного сопротивления. В этой фазе оба переключателя числа витков имеют общую токовую нагрузку. После этого соединение с предыдущим переключателем числа витков прерывается, и нагрузка переносится на новый переключатель числа витков. Приспособление, которое выполняет такое переключение, называется контактором.
Устройство переключения числа витков представляет собой клетку или изолирующий цилиндр с рядом контактов, с которыми соединяются переключатели числа витков от регулирующей обмотки. Внутри клетки два контактных рычага передвигаются пошагово поперёк регулирующей обмотки. Оба рычага электрически соединены с вводными клеммами контактора. Один рычаг находится в положении активного переключателя числа витков и проводит ток нагрузки, а другой рычаг находится без нагрузки и свободно передвигается к следующему переключателю числа витков. Контакты устройства переключения никогда не разрывают электрический ток и могут находиться в масле самого трансформатора.
Схема устройства РПН представлена на рис. 2.
В некоторых пределах напряжение можно регулировать, изменяя сопротивление питающей сети. Так, если питающая сеть или ее участок состоит из нескольких параллельных линий, то, отключая в часы минимальных нагрузок одну из таких линий, можно увеличить потерю напряжения в питающей сети и тем понизить напряжение у потребителя. Снижения реактивного сопротивления цепи и, следовательно, увеличения напряжения при максимальных нагрузках можно добиться, применяя продольную компенсацию индуктивности линии.
В линиях дальних передач продольную компенсацию используют для повышения их пропускной способности. Число конденсаторов в батарее для продольной компенсации определяется требуемым уровнем напряжения на приемной подстанции и максимальной нагрузкой линии. В электропередачах высокого напряжения обычно компенсируют не свыше 40—50% индуктивности линии, так как большая степень компенсации может привести к ложным действиям релейной защиты, а при известных условиях и к колебательному режиму (самораскачиванию) синхронных генераторов.
На рис. 3 изображена вектонная диаграмма изменения напряжения в конце линии в зависимости от изменения передаваемой реактивной мощности.
Электромагнитная совместимость – способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам [1]. В задачах 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].
Электрические процессы, необходимые для обеспечения технологических функций приемника, могут ухудшить свойства сети и свойства электрической энергии. В первом случае уменьшается пропускная способность сети (вплоть до ее аварийного отключения), а во втором – ухудшается качество электроэнергии. Проблема управления качеством электроэнергии является частью более общей проблемы обеспечения ЭМС.
Улучшение ЭМС является целесообразным и в том случае, когда ее показатели находятся в допустимых пределах. Возникает задача оптимизации, так как, с одной стороны, улучшаются условия работы электроприемников и людей, но, с другой стороны, требуются дополнительные затраты. При решении этой задачи расчетным или измеренным показателям ЭМС требуется поставить в соответствие экономические показатели, обусловленные увеличением производительности, уменьшением расхода и потерь электроэнергии, улучшением условий эксплуатации.
В работе рассматриваются нелинейные характеристики, поэтому использовать аналитические методы оценивания ЭМС очень тяжело. Поэтому 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].
Любые 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.
Во время обработки 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].
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.
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:
– в течении каждого месяца были произведены измерения напряжения в одни и те же интервалы времени; определено среднее значение измеряемой величины.
– для оценки полученных значений были найдены следующие параметры, характеризующие нормальное распределение: среднее значение, дисперсия, среднее квадратическое отклонение(стандарт); построены статистические функции распределения нормального закона.
– 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.
– сделано сравнение получившихся расхождений с граничными; в случае, если они не превышают 10%, можно утверждать, что исследуемая величина не противоречит нормальному закону распределения.
Изходя из этого можно сделать 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. 4.
Рисунок 4 – Нормальный закон распределения
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. Проанализированы основные проблемы, связанные с регулированием напряжения в сельских электрических сетях, а также даны рекомендации по улучшению его качества.
4. 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. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1978. – 400 с.
10. Прикладные методы теории случайных функций. – М.: Наука, 1968. – 463с.