Електротехнічний факультет
Спеціальність: Електротехнічні системи електропостачання
Тема випускної роботи:
Науковий керівник: Шлепньов Сергій Володимирович
Питанням якості електричної енергії в останні кілька років приділяється дуже велика увага. 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.
Електрична енергія використовується в усіх сферах життєдіяльності людини, має сукупність 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 потрібно забезпечити необхідну якість електричної енергії. Таким чином, 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.
У побуті в останні роки широке розповсюдження отримали телевізори, комп'ютери та інші пристрої, що працюють на постійному струмі через вторинне джерело живлення та погіршують якість електричної енергії в живильній 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.
Актуальність роботи пов'язана з відсутністю аналітичного рішення задач оцінки електромагнітної сумісності ЕМС і може допомогти фахівцям розкрити для себе теоретичні аспекти проблеми підвищення якості електричної енергії.
Основна мета – дослідити величину відхилення напруги від номінального значення в міських електричних мережах Донецького регіону.
Ідея роботи полягає в застосуванні методик імовірнісного моделювання, що дозволяють описати випадкові процеси.
Наукове значення роботи – розвиток теорії ЕМС в галузі визначення характеристик випадкових процесів за допомогою статистичних імовірнісних методів розрахунку.
Питаннями якості електроенергії займалося величезна кількість науковців, серед яких хочу виділити Кузнецова В.Г., Шидловського А.К., Лютого А.П., а також вчені в цій галузі, що працюють в нашому університеті: Курінного Е.Г., Погрібняк Н.М., Коломитцева А.Д., Черніковій Л.В. та багато ін.
ЕМС технічних засобів – це здатність технічного засобу функціонувати з заданими якістю в заданій електромагнітній обстановці і не створювати неприпустимих електромагнітних перешкод іншим технічним засобам [1]. Стосовно до завдань електропостачання електромагнітної середовищем є система електропостачання, а технічним засобом - електроприймач, який приймає корисний сигнал. Іншими словами ЕМС – здатність електроприймача нормально функціонувати в системі електропостачання і не створювати в ній кондуктивна перешкод, неприпустимих для інших електропріемніков [2].
Необхідні для забезпечення технологічних функцій приймача електричні процеси можуть погіршити властивості мережі та (або) властивості електричної енергії. У першому випадку зменшується пропускна здатність мережі (аж до її аварійного відключення), у другому - погіршується якість електроенергії. Таким чином, проблема управління якістю електроенергії є частиною більш загальної проблеми забезпечення ЕМС.
Необхідність застосування тих чи інших способів поліпшення ЕМС виникає, якщо хоча б один показник ЕМС не відповідає норміруемому. У цих випадках досить розрахувати або виміряти ці показники до і після поліпшення ЕМС.
Разом з тим покращення ЕМС може виявитися доцільним і тоді, коли її показники знаходяться в припустимих межах. У цьому випадку виникає задача оптимізації, так як, з одного боку, поліпшуються умови роботи електроприймачів і людей, але, з іншого боку, потрібні додаткові витрати. При рішенні такої задачі розрахунковим або вимірюванним показникам ЕМС потрібно поставити у відповідність економічні показники, обумовлені збільшенням продуктивності, зменшенням витрат і втрат електроенергії, поліпшенням умов експлуатації.
Методи розрахунку та вимірювання показників ЕМС за наявності засобів її забезпечення залишаються колишніми, змінюються лише характеристики вхідних процесів в моделях ЕМС.
У даній роботі розглядаються нелінійні характеристики, тому використання аналітичних методів оцінювання ЕМС досить ускладнений. У зв'язку з цим 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].
Відхилення напруги – відміна фактичної напруги в усталеному режимі роботи системи електропостачання від його номінального значення. Відхилення напруги в тій чи іншій точці мережі відбувається під впливом повільної зміни навантаження у відповідності з її графіком.
Одним з основних вимог, які висуваються 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 номінального Uн:
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.
I. Технологічні установки:
1. При зниженні напруги суттєво погіршується технологічний процес, збільшується його тривалість. Отже, збільшується собівартість виробництва.
2.При підвищенні напруги знижується термін служби обладнання, підвищується ймовірність аварій.
3. При значних відхиленнях напруги відбувається зрив технологічного процесу.
II. Освітлення:
Знижується термін служби ламп освітлення, так при величиною напруги 1,1 • Uном термін служби ламп накалювання знижується в 4 рази.
2. При величині напруги 0,9 • Uном знижується світловий потік ламп розжарювання на 40% і люмінесцентних ламп на 15%.
3. При величині напруги менш 0,9 • Uном люмінесцентні лампи мерехтять, а при 0,8 • Uном просто не загоряються.
III. Електропривод:
1. При зниженні напруги на затиску асинхронного електродвигуна на 15% момент знижується на 25%.Двигун може не запуститися або зупинитися.
2. При зниженні напруги збільшується споживаний від мережі струм, що тягне разогрів обмоток і зниження терміну служби двигуна. При тривалій роботі на напрузі 0,9 • Uномтермін служби двигуна знижується вдвічі.
3.При підвищенні напруги на 1% збільшується реактивна потужність на 3 ... 7%. Знижується ефективність роботи приводу та мережі [4].
Відповідальність за підтримання напруги в межах, встановлених стандартом [5], покладається на енергопостачальних організацій. ГОСТ 13109-97 встановлює допустимі значення усталеного відхилення напруги на затиску електроприймача. Межі ж зміни напруги в точці приєднання споживача повинні розраховуватися з урахуванням падіння напруги від цієї точки до електроприймача і вказуватися в договорі енергопостачання.
Існують два основних засоби забезпечення вимог щодо відхилення напруги в електричній мережі. Перший спосіб полягає в регулюванні рівня напруги в центрі живлення (ЦЖ) і у споживача.Технічно це здійснюється шляхом зміни коефіцієнта трансформації з допомогою систем перемикання витків обмоток трансформатора без збудження (ПБЗ) та регулювання під навантаженням (РПН). Також використовуються лінійні регулятори напруги.
Другий спосіб, заснований на зниженні втрат напруги в живлячих лініях, може бути реалізований за рахунок зниження активного та реактивного опорів. Зниження активного опору досягається збільшенням перерізу дротів, а реактивного – застосуванням пристроїв поздовжньої ємнісний компенсації (ППК). Поздовжня ємнісна компенсація параметрів лінії полягає в послідовному включенні конденсаторів в лінію, завдяки чому зменшується її реактивний опір.
Ефективним засобом регулювання напруги є джерела реактивної потужності. Їх вплив грунтується на зниженні перетоків реактивної потужності по лініях живильної мережі, тобто на зниження складової втрат напруги. В якості джерела реактивної потужності використовуються синхронні двигуни, що працюють в режимі перезбудження, конденсаторні батареї, синхронні компенсатори і статичні тиристорні компенсатори [6].
З практики відомо, що 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.
При обробці таких статистичних даних часто виникає питання про визначення законів розподілу тих чи інших випадкових величин (закони Гауса, Пуассона, Сімпсона та ін.). Але на практиці із-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 характеристик, які приводили б до менших помилок [7].
Відомо, що кожна 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.
На практиці найбільше зустрічається нормальний закон розподілу (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, чи підпорядковується випадкова величина відхилення напруги нормальному закону розподілу. Ця задача вирішувалася наступним чином:
1. На протязі кожного місяця були проведені вимірювання напруги в одні і ті ж інтервали часу; визначено середнє значення вимірюваної величини.
2. Для оцінки отриманих значень були знайдені наступні параметри, що характеризують нормальний розподіл: середнє значення, дисперсії, середнє квадратичне відхилення (стандарт); побудовані статистичні функції розподілу нормального закону.
3. Знайдені мінімальне χmin та максимальне χmax значення випадкової величини згідно з інтегральної імовірністю 95%, якої відповідають імовірності Eχ =0,05 для мінімального та Eχ =0,95 для максимального значень; мінімальне χп min та максимальне χп max розрахункові значення; відносні розбіжності σп min та σп max.
4. Зроблено порівняння отриманих розбіжностей з граничними; у випадку, якщо вони не перевищують 10%, можна стверджувати, що досліджувана величина не суперечить нормальному закону розподілу.
Представимо отримані результати для одного з зимових місяців у вигляді двох таблиць.
Таблица 1 – Параметри нормального розподілу
| Параметри | 8:00 | 19:00 |
| χс , B | 220,2 | 217,8 |
| D , B | 2,17 | 5,11 |
| σ , B | 1,47 | 2,26 |
Таблица 2 – Зіставлення розрахункових значень
| Розрахункові значення | 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 підставі отриманих результатів зробимо висновок про те, що зміна напруги у часі являє собою нестационарной випадковий процес і одночасно з цим підпорядковується нормальному закону розподілу.
Графік нормального закону розподілу представлений на рис. 1.
Рисунок 1 – Нормальный закон распределения (дане зображення є анімацією з наступними параметрами кількість кадрів – 7; кількість циклів повторення – 5; об'єм в кілобайтах – 26,4)
Другим методом дослідження величини відхилення напруги було її дослідження за допомогою кореляційної функції та її характеристик.
Нерідко трапляється, що у двох випадкових функцій приблизно однакові математичні сподівання і дисперсії. Однак характер цих випадкових функцій може бути різний. Іншими словами – внутрішня структура обох випадкових процесів може бути зовсім різна, але ці відмінності на встановлюються ні математичним очікуванням, ні дисперсією.
У цьому випадку, для його опису вводиться спеціальна характеристика – кореляційна функція (автокореляційна функція). Вона характеризує ступінь залежності між перетинах випадкової функції, що відносяться до різних тимчасовим значень [7].
Алгоритм дій наступний:
1. На протязі кожного місяця проведені заміри напруги в один і той же час доби – в 19:00 (вечірній максимум навантаження). Визначено середнє значення вимірюваної величини.
2. Був побудований графік функції з п'яти реалізацій, намічені перетини і зняті значення функції в цих перетинах.
Функція відхилення напруги представлена сукупністю п'яти реалізацій. Дана випадкова функція зведена до системи тридцяти випадкових величин, що відповідають перетинах t = 1; 2; ... 30. На рис. 2 представлений графік математичного очікування кореляційної функції.
3. Знайдені характеристики випадкової функції: математичне очікування mx(t), дисперсія Dx(t), середнє квадратичне відхилення σx(t).
Рисунок 2 – Графік математичного очікування кореляційної функції
4. Проведено аналіз обмірюваних та отриманих даних (математичне очікування і дисперсія не постійні), взявши до уваги досить обмежену кількість оброблених реалізацій і в зв'язку з цим наявність великої елемент випадковості в отриманих оцінках.
Висновок: відхилення напруги - нестаціонарний випадковий процес; для кращого дослідження характеристик кореляційної функції необхідно збільшити число реалізацій.
Низька якість електричної енергії в електричних мережах викликає значне погіршення техніко-економічних показників основного електросилового обладнання та електропріемніков. Причому низька якість напруги в деякому вузлі системи визначає погіршення техніко-економічних показників електропріемніков даного вузла, а перекручування форми струму, збільшення кута його фазового зсуву щодо напруги, а також асиметрія трифазної системи струмів викликають погіршення техніко-економічних показників джерел електричної енергії розглянутого вузла.
Найбільш потужним джерелом перекручувань у сталих режимах роботи є напівпровідникові перетворювачі, значну частину яких складають перетворювачі змінної напруги в постійну, що характеризується низьким коефіцієнтом потужності [8].
На рис.3 якісно показано, як змінюється рівень відхилення напруги вздовж ділянки мережі від ЦП до споживачів, звідки видно, що вимоги щодо відхилення напруги для віддалених ЕП можуть не виконуватися. Автоматична система РПН в трансформаторах може суттєво виправити становище.
Рисунок 3 – Зміна рівня відхилення напруги вздовж ділянки мережі від ЦП до споживачів
В даний час відомі два основних способи забезпечення високої якості напруги:
– зниження втрат напруги;
– регулювання напруги.
Зниження втрат напруги досягається:
а) вибором перерізу провідників ліній електропередач за умовами втрат напруги;
б) застосуванням поздовжньої ємнісної компенсації реактивного опору лінії;
в) компенсацією реактивної потужності для зниження її передачі за допомогою конденсаторних установок та синхронних електродвигунів, що працюють в режимі перезбужденія.
Регулювання напруги можна здійснити наступними способами:
а) за допомогою трансформаторів, встановлених на енергопостачальних підприємствах, оснащених пристроєм автоматичного регулювання коефіцієнта трансформації в залежності від величини навантаження;
б) за допомогою проміжних трансформаторів, оснащених пристроєм перемикання відпаєк на обмотках (РПН, ПБВ) з різними коефіцієнтами трансформації.
Необхідно підкреслити, що часто з ряду причин енергопостачальні організації не приділяють належної уваги контролю стану системи РПН або ПБВ. Крім того, величина напруги змінюється протягом доби. Тому бажано застосовувати автоматичне регулювання, що дозволить вирішити обидві проблеми, викладені вище.
1. Сформульовано основні задачі забезпечення ЕМС. Виконана перевірка дотримування норм ГОСТ 13109-97 на однохвилинні відхилення напруги.
2. У повному обсязі розкрито поняття відхилення напруги; розглянуто її вплив на роботу електрообладнання, відповідальність і заходи компенсації.
3. Виконано аналіз якості напруги з урахуванням багатофакторного моделювання (закону Гаусса та кореляційної функції), завдяки якому можна стверджувати, що зміна напруги у часі являє собою нестаціонарний випадковий процес, для вивчення якого необхідно записувати добові графіки навантаження.
4. Проаналізовано основні проблеми, пов'язані з регулюванням напруги у міських мережах, а також дані рекомендації щодо поліпшення його якості.
5.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. Прикладные методы теории случайных функций. – М.: Наука, 1968. – 463с.
10. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1978. – 400 с.