Електротехнічний факультет
Спеціальність: Електротехнічні системи електропостачання
Тема випускної роботи:
Науковий керівник: Шлепньов Сергій Володимирович
Якість електричної енергії — важлива й актуальна тема в даний час. Поряд з тим, що в спеціалізованих ЗМІ спостерігається інтенсивний потік інформації по цій темі, створюється враження, що деякі фахівці-енергетики не до кінця усвідомлюють важливість цього питання.
Електроенергія широко застосовується практично у всіх сферах життєдіяльності людини. Вона володіє сукупністю специфічних властивостей і безпосередньо бере участь у створенні інших видів продукції, впливаючи на їх якість. Кожен електроприймач призначений для роботи при певних параметрах електричної енергії: номінальних частоті, напрузі і т. п., тому для нормальної його роботи має бути забезпечено необхідну якість електричної енергії. Якість електричної енергії визначається сукупністю характеристик електричної енергії, при яких електроприймачі можуть нормально працювати і виконувати закладені в них функції. Важливість проблеми підвищення якість електричної енергії наростала разом з розвитком і широким впровадженням на виробництві вентільних перетворювачів і різних високоефективних технологічних установок, таких як дугові сталеплавильні печі, зварювальні установки та ін.
Останнім часом велике поширення отримали телевізори, комп'ютери та інші пристрої, що працюють на постійному струмі через вторинний джерело харчування та погіршують якість електричної енергії в живильної мережі. У підсумку виник свого роду парадокс: застосування нових технологій, які економічні і технологічно ефективні, які покращують життя людей, що негативно позначається на якість електричної енергії в електричних мережах.
Питаннями якості електроенергії займалося дуже багато вчених, серед яких хочу виділити Шидловського А.К., Лютого А.П., а також вчених, що працюють на нашій кафедрі: Куршнний Е.Г., Погршбняк Н.М., Коломитцев А.Д., Чернікова Л.В. та багато інших.
Актуальність роботи визначається відсутністю аналітичного рішення задач оцінки електромагнітної сумісності ЕМС.
Найбільш важлива мета — дослідити величину відхилення напруги від номінального значення в сільських мережах Донецького регіону.
Значення роботи полягає в розвитку теорії ЕМС в галузі визначення характеристик випадкових процесів за допомогою статистичних імовірнісних методів розрахунку.
Ідея магістерської роботи полягає в застосуванні багатофакторного моделювання, що дозволяє описати випадкові процеси.
Відхилення напруги — відміна фактичної напруги в усталеному режимі електропостачання від його номінального значення. Відхилення напруги в тій чи іншій точці мережі відбувається під впливом повільного зміни навантаження у відповідності з її графіком.
Основною вимогою, що пред'являються до системи електропостачання, є підтримка напруги U в допустимих для приймача межах. При незмінному або повільно змінюються напрузі ЕМС оцінюється за поточними значеннями відхилень напруги від номінальногоUн:
V(t)=U(t) – Uн.
ГОСТ 13109-97 встановлює нормально і гранично допустимі значення усталеного відхилення напруги на затиску електропріемніков в межах відповідно ± 5% та ± 10% від номінальної напруги мережі.
Вплив на роботу електрообладнання:
— при зниженні напруги суттєво погіршується технологічний процес, збільшується його тривалість. Отже, збільшується собівартість виробництва.
— при підвищенні напруги знижується термін служби обладнання, підвищується ймовірність аварій.
— при значних відхиленнях напруги відбувається зрив технологічного процесу.
— знижується термін служби ламп освітлення, так при величині напруги 1,1•Uном термін служби ламп накалювання знижується в 4 рази.
— за величиною напруги 0,9• Uном знижується світловий потік ламп розжарювання на 40% і люмінесцентних ламп на 15%.
— за величиною напруги менше 0,9• Uном люмінесцентні лампи мерехтять, а при 0,8• Uном просто не запалюються
— при зниженні напруги на затиску асинхронного електродвигуна на 15% момент знижується на 25%. Двигун може не запуститися або зупинитися.
— при зниженні напруги збільшується споживаний від мережі струм, що тягне разогрів обмоток і зниження терміну служби двигуна. При тривалій роботі на напрузі 0,9• Uном термін служби двигуна знижується вдвічі.
— при підвищенні напруги на 1% збільшується споживана двигуном реактивна потужність на 3...7%. Знижується ефективність роботи приводу та мережі [4].
Існують два основних способи забезпечення вимог щодо відхилення напруги в електричній мережі. Перший спосіб полягає в регулюванні рівня напруги в центрі живлення (ЦП) і у споживача. Технічно це здійснюється шляхом зміни коефіцієнта трансформації за допомогою систем перемикання витків обмоток трансформатора без збудження (ПБВ) та регулювання під навантаженням (РПН). Також можливо регулювати напругу за допомогою зміни параметрів електричної мережі.
Даний тип перемикання використовується під час сезонних перемикань, так як припускає відключення трансформатора від мережі, що неможливо робити регулярно, не позбавляючи споживачів електроенергії. ПБВ дозволяє змінити коефіцієнт трансформатора в межах від -5% до +5%. На малопотужних трансформаторах виконується за допомогою двох відгалужень, на трансформаторів середньої та великої потужності за допомогою чотирьох відгалужень по 2,5% на кожне [5]. Відгалуження найчастіше виконуються на тій стороні, напруга на якій в процесі експлуатації піддається змінам. Зазвичай це сторона вищої напруги. Виконання відгалужень на стороні вищої напруги має також ту перевагу, що при цьому на увазі більшої кількості витків відбір ± 2,5% і ± 5% кількості витків може бути вироблений з більшою точністю. Крім того, ток на стороні вищої напруги менше і перемикач виходить більш компактним.
При переключенні відгалужень обмотки при відключенні трансформатора перемикаючем пристрій виходить простіше і дешевше, однак переключення пов'язане з перервою енергопостачання споживачів і не може проводитися часто. Тому цей метод застосовується головним чином для корекції вторинного напруги мережевих понижувальних трансформаторів в залежності від рівня первиннщї напруги на даній ділянці мережі у зв'язку із сезонною зміною навантаження.
Схеми ПБВ представлені на рис. 1.
Даний тип переключень застосовується для оперативних переключень, пов'язаних з постійною зміною навантаження (наприклад, вдень і вночі навантаження на мережу буде різне). В залежності від того, на якій напрузі і який потужності трансформатор, РПН може змінювати значення коефіцієнта трансформації в межах від ± 10 до ± 16% (приблизно по 1,5% на відгалуження). Регулювання здійснюється на стороні високої напруги, так як величина сили струму там менше, і відповідно, пристрій РПН виконати простіше та дешевше. Регулювання може вироблятися як автоматично, так і вручну з ОПУ або диспетчерського пульта управління.
Роботу перемикача числа витків під навантаженням можна зрозуміти з двох показовим функцій. Це перемикаючий пристрій, який переносить прохідну потужність трансформатора від одного перемикача числа витків трансформатора до сусіднього перемикача числа витків. Під час цієї операції обидва перемикача числа витків з'єднані за допомогою перехідного опору. У цій фазі обидва перемикача числа витків мають загальне струмове навантаження. Після цього з'єднання з попереднім перемикачем числа витків переривається, і навантаження переноситься на новий перемикач числа витків. Пристосування, яке виконує таке перемикання, називається контактором.
Пристрій перемикання числа витків являє собою клітку або ізолюючий циліндр з рядом контактів, з якими з'єднуються перемикачі числа витків від регулюючій обмотки. Всередині клітини два контактних важеля пересуваються пошагово поперек регулюючій обмотки. Обидва важеля електрично з'єднані з вступний клема контактора. Один важіль знаходиться в стані активного перемикача числа витків і проводить струм навантаження, а інший важіль знаходиться без навантаження і вільно пересувається до наступного перемикач числа витків. Контакти пристрою перемикання ніколи не розривають електричний струм і можуть перебувати в олії самого трансформатора.
Схема пристрою РПН представлена на рис. 2.
У деяких межах напругу можна регулювати, змінюючи опір живильної мережі. Так, якщо живить мережу або її ділянка складається з декількох паралельних ліній, то, відключаючи в години мінімальних навантажень одну з таких ліній, можна збільшити втрату напруги в живильної мережі і тим знизити напругу у споживача. Зниження реактивного опору ланцюга і, отже, збільшення напруги при максимальних навантаженнях можна домогтися, застосовуючи поздовжньої компенсацію індуктивності лінії.
У лініях дальніх передач поздовжньої компенсацію використовують для підвищення їх пропускної спроможності. Число конденсаторів в батареї для поздовжньої компенсації визначається необхідним рівнем напруги на приймальні підстанції та максимальної навантаженням лінії. У електропередач високої напруги зазвичай компенсують не більше 40-50% індуктивності лінії, так як велика ступіні компенсації може призвести до помилкових дій релейного захисту, а при відомих умовах і до коливального режиму (самораскачіванію) синхронних генераторів.
На рис. 3 зображена вектонная діаграма зміни напруги в кінці лінії в залежності від зміни переданої реактивної потужності.
Електромагнітна сумісність — здатність технічних засобів функціонувати з заданими якістю в заданій електромагнітній обстановці і не створювати неприпустимих електромагнітних завад іншим технічним засобам [1]. В задачах електропостачання електромагнітної середовищем є система електропостачання, а технічним засобом — електроприймачк, який приймає корисний сигнал: живельна напруга, симетричне і неіскажаєме. Іншими словами ЕМС — здатність електропріемніка нормально функціонувати в системі електропостачання і не створювати в ній кондуктивна перешкод, неприпустимих для інших електроприймачів [2].
Електричні процеси, необхідні для забезпечення технологічних функцій приймача, можуть погіршити властивості мережі та властивості електричної енергії. У першому випадку зменшується пропускна здатність мережі (аж до її аварійного відключення), а у другому — погіршується якість електроенергії. Проблема управління якістю електроенергії є частиною більш загальної проблеми забезпечення ЕМС.
Поліпшення ЕМС є доцільним і в тому випадку, коли її показники знаходяться в припустимих межах. Виникає задача оптимізації, так як, з одного боку, поліпшуються умови роботи електроприймачів і людей, але, з іншого боку, потрібні додаткові витрати. При вирішенні цього завдання розрахунковим або вимірювання показників ЕМС потрібно поставити у відповідність економічні показники, обумовлені збільшенням продуктивності, зменшенням витрат і втрат електроенергії, поліпшенням умов експлуатації.
роботі розглядаються нелінійні характеристики, тому використовувати аналітичні методи оцінювання ЕМС дуже важко. Тому доцільно переходити до статистичного багатофакторного моделювання, що більш докладно буде розглянуто нижче. У цьому випадку кожна реалізація вихідного випадкового процесу перетворюється у відповідності з динамічною моделлю пристрою, в результаті чого виходить ансамбль реалізацій шуканого випадкового процесу [3].
Будь-які закономірності, які спостерігаються в масових випадкових явищах, проявляються тим точніше і виразніше, чим більше обсяг статистичного матеріалу. Але навіть при нескінченному кількості N дослідів не можна точно знайти імовірнісних характеристики. Однак при досить великому N ймовірність розбіжності між досвідченими і теоретичними значеннями мала, тому досвідчені результати можна приймати в якості вихідних.
Під час обробки таких статистичних даних часто виникає питання про визначення законів розподілу тих чи інших випадкових величин (закони Гауса, Пуассона, Сімпсона та ін.) Але на практиці з-за труднощів проведення експерименту число спостережень, а отже і кількість експериментальних даних завжди обмежена (20-30 і менше), тому результати спостережень та їх обробки завжди містять ту чи іншу частку випадковості. У зв'язку з цим потрібно вибрати такі оцінки для шуканих характеристик, які приводили б до менших помилок [7].
Всяка випадкова величина може бути повністю описана з ймовірносно точки зору, якщо відомо розподіл між окремими значеннями цієї випадкової величини. Іншими словами можна сказати, що будь-яка випадкова величина підпорядкована того чи іншого закону розподілу.
Найбільш зустрічається закон розподілу — нормальний закон (часто званий законом Гауса), головна особливість якого в тому, що до нього наближаються інші закони розподілу при часто зустрічаються типових умовах. Одна із завдань роботи — з'ясувати, підпорядковується Чи випадкова величина відхилення напруги нормальному закону розподілу. Ця задача вирішувалася в такий спосіб:
— протягом кожного місяця були проведені вимірювання напруги в одні і ті ж інтервали часу; визначено середнє значення вимірюваної величини.
— для оцінки отриманих значень були знайдені наступні параметри, що характеризують нормальний розподіл: середнє значення, дисперсії, середнє квадратіческое відхилення (стандарт); побудовані статистичні функції розподілу нормального закону.
— знайдені мінімальне χmin и максимальне χmax значення випадкової величини згідно з інтегральної імовірністю 95%, якої відповідають ймовірності Eχ =0,05 для мінімального і Eχ =0,95 для максимального значень; мінімальне χп min и максимальне χп max розрахункові значення; відносні розбіжності σп min і σп max.
— зроблено порівняння отриманих розбіжностей з граничними у випадку, якщо вони не перевищують 10%, можна стверджувати, що досліджувана величина не суперечить нормальному закону розподілу.
З цього можна зробити висновок про те, що зміна напруги у часі являє собою нестаціонарной випадковий процес і одночасно з цим підпорядковується нормальному закону розподілу.
Графік нормального закону розподілу представлений на рис. 4.
Рисунок 4 — Нормальний закон розподілу
1. Сформульовані основні задачі забезпечення ЕМС. Виконана перевірка притримування норм ГОСТ 13109-97 на одномінутние відхилення напруги.
2. У повному обсязі розкрито поняття відхилення напруги; розглянуто її вплив на роботу електрообладнання, відповідальність і заходи компенсації.
3. Проаналізовано основні проблеми, пов'язані з регулюванням напруги в сільських електричних мережах, а також дані рекомендації щодо поліпшення його якості.
4. Планується отримати добові графіки навантаження, що дозволить уточнити результати практичних досліджень і вибрати рекомендації для організації щодо поліпшення якості напруги.
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.