Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• 1. Введение
• 2. Причины возникновения несимметрия напряжения
• 3. Влияние несимметрии напряжения. Общие замечания
• 4. Коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям
• 5. Синхронные машины. Общие положения
• 6. Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке
• 7. Контроль и анализ качества электроэнергии по несимметрии напряжения
• 8. Влияние несимметрии напряжения на работу электроприемников и технологических установок
• Список источников

1. Введение

Электромагнитной совместимостью называют способность технических средств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых помех другим ТС и не оказывая недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объекты. Таким образом, электромагнитная совместимость характеризует не только взаимодействие между электрооборудованием и электромагнитной средой, но и взаимодействие технических средств (ТС) между собой [1, 2].

Качество электроэнергии (КЭ) – совокупность свойств электроэнергии, определяющих совместимость ТС, включенных в сеть. КЭ характеризует меру воздействия систем электроснабжения на электрооборудование сети через кондуктивные электромагнитные помехи.

Все имеющиеся электромагнитные помехи делятся на две основные категории - это помехи кондуктивные и индуктивные. Кондуктивные помехи распространяются в проводящей среде, каковой в частности могут быть провода электрической сети. Индуктивные или же полевые помехи распространяются в пространстве, окружающем проводящую среду. Источниками электромагнитных помех могут быть как технические средства, так и природные явления.

С точки зрения электроэнергетики более важными являются вопросы, связанные с кондуктивным типом помех. Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) характеризуют уровень помех данного типа.

2. Причины возникновения несимметрия напряжения

Несимметрия напряжения является следствием включения в сеть несимметричных нагрузок, получающих питание от 1 или 2-х фаз трехфазной сети. Широко распространенными примерами таких несимметричных нагрузок являются сварочное оборудование, индукционные печи, подстанции железнодорожного транспорта, ЛЭП с несимметричным сопротивлением фаз линии, бытовая аппаратура, освещение, ДСП.

3. Влияние несимметрии напряжения. Общие замечания

Несимметрия в трехфазных сетях приводит к появлению дополнительных потерь в их элементах, сокращает срок службы электрооборудования и снижает экономические показатели его работы, негативно влияет на работу электрических машин переменного тока.

Несимметрия в электрических машинах приводит к появлению дополнительного магнитного поля, вращающегося в направлении, противоположном направлению вращения ротора, с удвоенной синхронной скоростью. В результате возникает тормозной момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины за счет токов двойной частоты.

В некоторых случаях можно снизить несимметрию напряжений рациональным пофазным распределением нагрузок. Пофазное перераспределение нагрузок не всегда позволяет обеспечить несимметрию напряжений в допустимых пределах. В этом случае для снижения несимметрии применяют специальные симметрирующие устройства.

4. Коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям

Идеальная симметричная система напряжений (рис. 1,а) характеризуется равенством фазных (ОА, ОВ, ОС) и между фазных (АС, СВ, СА) напряжений, сдвинутых друг относительно друга на одинаковые углы в 120°. При несоблюдении этих условий напряжение является несимметричным (рис. 1,б) [3, 4].

Рис.1 Симметричная (а) и несимметричная (б) системы напряжения

Несимметрия напряжения (токов) характеризуется с помощью метода симметричных составляющих, согласно которому любая несимметричная трехфазная система может быть представлена в виде трех симметричных, образующих прямую, обратную и нулевую последовательности:

Несимметрия напряжения характеризуется коэффициентами несимметрии напряжения по обратной последовательности K2U и нулевой последовательности K0U . Данные коэффициенты имеют смысл лишь для трехфазных сетей и рассчитываются по следующим формулам:

где U₂₍₁₎ и U₀₍₁₎ ‒ действующие значения основной частоты обратной и нулевой последовательности, В; U₁₍₁₎ ‒ действующее значение напряжения основной частоты прямой последовательности.

Значение K_2U в пределах до 2 % нормально допустимо на зажимах любого трехфазного симметричного приемника электроэнергии (предельное значение составляет 4%). Согласно ГОСТ 32144-13 [5], в распределительных сетях с однофазными осветительными и бытовыми приемниками электроэнергии нормально допустимое значение K_0U соответствует 2 %, а предельно допустимое значение ‒ 4 %. Нормально допустимое значение соответствует вероятности 95% [6] времени, а предельно допустимое значение ‒ 100% времени.

5. Синхронные машины. Общие положения

Синхронная машина (СМ) – бесколлекторная машина переменного тока (рис.2), в которой скорость вращения ротора n₁ находится в строго постоянном отношении к частоте f₁ сети переменного тока (не зависит от нагрузки) [7].

Рис.2 Синхронный генератор ТВВ 800 МВт

По типу ротора синхронные машины подразделяются на машины с явновыраженными полюсами и с неявнополюсным ротором. Независимо от типа СМ, статор СМ выполняют из корпуса и сердечника. Корпусы отливают из чугуна или стали. Сердечник статора и обмотку выполняют точно также как для асинхронных машин. Ротор СМ выполняют из стали. Обмотку возбуждения на роторе выполняют из медного провода. Есть два способа возбуждения: электромагнитное (независимое и самовозбуждение) и постоянными магнитами. При возбуждении СМ постоянными магнитами в СМ нет контактных колец.

В современных бесщеточных системах возбуждения в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Пусковая или демпферная обмотка на роторе выполняется в виде стержней, которые в явнополюсных машинах укладываются в пазы полюсных наконечников и соединяют на торцевых сторонах пластинами.

6. Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

Обмотка статора синхронных генераторов обычно включается в звезду, причем нулевая точка в малых машинах изолирована, а в крупных машинах (рис.3) с целью выполнения релейной защиты от замыкании на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики [8].

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практи¬чески существуют только токи обратной последовательности. Последние вызывают в машине ряд нежелательных явлений и делают режим работы машины тяжелым.

Рис.3 Синхронный генератор мощностью 1000 МВт.

Потери энергии и нагрев ротора. Токи двойной частоты, индуктируемые в роторе магнитным полем статора обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его нагрев, а также уменьшение к.п.д. машины.Токи, индуктируемые обратным полем в успокоительных обмотках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими. Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный нагрев успокоительных обмоток и массивных роторов.

Высокая температура тела ротора турбогенератора вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюсной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаждения обмотки возбуждения явнополюсных машин.Токи, индуктируемые обратным полем в обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

Вибрация. В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой последовательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знако¬переменные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульси-рующие с двойной частотой.

Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирующие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной частоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем боль¬ше несимметрия нагрузки.

Искажение симметрии напряжении. Токи обратной последовательности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по разному. В результате этого симметрия напряжений генератора искажается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхронных и синхронных двигателей.

В машинах с успокоительными обмотками и массивными роторами или полюсами сопротивление обратной последовательности меньше, вследствие чего и искажение симметрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируемыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки.

7. Контроль и анализ качества электроэнергии по несимметрии напряжения

Основными задачами контроля КЭ являются:

1. Проверка выполнения требований стандарта в части эксплуатационного контроля ПКЭ в электрических сетях общего назначения;
2. Проверка соответствия действительных значений ПКЭ на границе раздела сети по балансовой принадлежности значениям, зафиксированным в договоре энергоснабжения;
3. Разработка технических условий на присоединение потребителя в части КЭ;
4. Проверка выполнения договорных условий в части КЭ с определением допустимого расчетного и фактического вкладов потребителя в ухудшение КЭ;
5. Разработка технических и организационных мероприятий по обеспечению КЭ;
6. Определение скидок (надбавок) к тарифам на ЭЭ за ее качество;
7. Сертификация электрической энергии;
8. Поиск виновника искажений ПКЭ.

В зависимости от целей, решаемых при контроле и анализе КЭ, измерения ПКЭ могут иметь четыре формы:

• диагностический контроль;
• инспекционный контроль;
• оперативный контроль;
• коммерческий учет.

Диагностический контроль КЭ ‒ основной целью диагностического контроля на границе раздела электрических сетей потребителя и энергоснабжающей организации является обнаружение «виновника» ухудшения КЭ, определение допустимого вклада в нарушение требований стандарта по каждому ПКЭ, включение их в договор энергоснабжения, нормализация КЭ.

Диагностический контроль должен осуществляться при выдаче и проверке выполнения технических условий на присоединение потребителя к электрической сети, при контроле договорных условий на электроснабжение, а также в тех случаях, когда необходимо определить долевой вклад в ухудшение КЭ группы потребителей, присоединенных к общему центру питания. Диагностический контроль должен быть периодическим и предусматривать кратковременные (не более одной недели) измерения ПКЭ. При диагностическом контроле измеряют как нормируемые, так и ненормируемые ПКЭ, а также токи и их гармонические и симметричные составляющие и соответствующие им потоки мощности.

Если результаты диагностического контроля КЭ подтверждают «виновность» потребителя в нарушении норм КЭ, то основной задачей энергоснабжающей организации совместно с потребителем является разработка и оценка возможностей и сроков выполнения мероприятий по нормализации КЭ. На период до реализации этих мероприятий на границе раздела электрических сетей потребителя и энергоснабжающей организации должны применяться оперативный контроль и коммерческий учет КЭ .

На следующих этапах диагностических измерений КЭ контрольными точками должны быть шины районных подстанций, к которым подключены кабельные линии потребителей. Эти точки представляют также интерес для контроля правильности работы устройств РПН трансформаторов, для сбора статистики и фиксации провалов напряжения и временных перенапряжений в электрической сети. Тем самым контролируется работа уже существующих средств обеспечения КЭ: синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов и трансформаторов с устройствами РПН, обеспечивающих заданные диапазоны отклонений напряжения, а также работа средств защиты и автоматики в электрической сети.

Инспекционный контроль КЭ ‒ осуществляется органами сертификации для получения информации о состоянии сертифицированной электроэнергии в электрических сетях энергоснабжающей организации, о соблюдении условий и правил применения сертификата, с целью подтверждения того, что КЭ в течение времени действия сертификата продолжает соответствовать установленным требованиям.

Оперативный контроль КЭ ‒ необходим в условиях эксплуатации в точках электрической сети, где имеются и в ближайшей перспективе не могут быть устранены искажения напряжения. Оперативный контроль необходим в точках присоединения тяговых подстанций железнодорожного и городского электрифицированного транспорта, подстанций предприятий имеющих ЭП с нелинейными характеристиками. Результаты оперативного контроля должны поступать по каналам связи на диспетчерские пункты электрической сети энергоснабжающей организации и системы электроснабжения промышленного предприятия.

Коммерческий учет ПКЭ ‒ должен осуществляться на границе раздела электрических сетей потребителя и энергоснабжающей организации и по результатам его определяются скидки (надбавки) к тарифам на электроэнергию за ее качество.

Коммерческий учет КЭ должен непрерывно осуществляться в точках учета потребляемой электроэнергии как средство экономического воздействия на виновника ухудшения КЭ. Для этих целей должны применяться приборы, совмещающие в себе функции учета электроэнергии и измерения ее качества. Наличие в одном приборе функций учета электроэнергии и контроля ПКЭ позволит совместить оперативный контроль и коммерческий учет КЭ, при этом могут применяться общие каналы связи и средства обработки, отображения и документирования информации АСКУЭ [9].

8. Влияние несимметрии напряжения на работу электроприемников и технологических установок

Несимметрия напряжения в электрических сетях предприятий обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок (индукционных плавильных и нагревательных печей, сварочных агрегатов, печей электрошлакового переплава), а также трехфазных, длительно работающих в несимметричном режиме (например, ДСП). Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений в трехфазных сетях появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы [10].

При несимметрии напряжений в электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В АД при коэффициентах обратной последовательности напряжений менее 5-6%, снижение вращающего момента АД оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере.

При работе АД с номинальным вращающим моментом и коэффициентом обратной последовательности напряжений, равном 4 %, срок службы изоляции его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева (рис.4). Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще большим. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать располагаемую мощность их, а при проектировании – увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятиях.

Рис.4 Дополнительные потери и снижение срока службы для асинхронного двигателя при несимметрии питающего напряжения (анимация: 12 кадров; 49,5 Кб)

При несимметрии напряжений сети в СД наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, в особенности при недостаточной прочности или наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30 %, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают.

Дополнительные потери мощности в СД при несимметричной нагрузке вызывают появление местных (локальных) нагревов обмотки возбуждения, что приводит к необходимости снижать ток возбуждения и тем самым уменьшать значение РМ, выдаваемой в сеть. При этом может возникнуть необходимость снизить активную нагрузку генератора или момент на валу СД.

Согласно «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей», длительная работа турбогенераторов и СК допускается при разнице токов в фазах статора, не превышающей 10 % номинального значения при условии, что ни один из фазных токов не превосходит номинального значения. При тех же условиях для гидрогенераторов разница токов допускается до 20 %.

Список источников

1. Тимиргазин Р.Ф. Электромагнитная совместимость : учебное пособие / Тимиргазин Р.Ф.. — Ульяновск : Ульяновский государственный технический университет, 2017. — 48 c. — ISBN 978-5-9795-1649-3.
2. Овсянников, А. Г. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебник / А. Г. Овсянников, Р. К. Борисов. — Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2017. — 194 c. — ISBN 978-5-7782-3367-6.
3. Савина Н.В. Качество электроэнергии : учебное пособие / Савина Н.В.. — Благовещенск : Амурский государственный университет, 2014. — 182 c.
4. Кобозев В.А. Качество электроэнергии и энергоэффективность систем электроснабжения потребителей : учебное пособие / Кобозев В.А., Лыгин И.В. — Москва, Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. — 356 c. — ISBN 978-5-9729-0770-0
5. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. с 01.07.2014.
6. Аркашов, Н. С. Теория вероятностей и случайные процессы : учебное пособие / Н. С. Аркашов, А. П. Ковалевский. — 2-е изд. — Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2017. — 238 c. — ISBN 978-5-7782-3375-1
7. Дробов А.В. Электрические машины : учебное пособие / Дробов А.В., Галушко В.Н.. — Минск : Республиканский институт профессионального образования (РИПО), 2015. — 292 c. — ISBN 978-985-503-540-5.
8. Угольников А.В. Электрические машины : учебное пособие / Угольников А.В.. — Саратов : Ай Пи Ар Медиа, 2019. — 157 c. — ISBN 978-5-4497-0020-9.
9. Лыкин А.В. Учет и контроль электроэнергии. Конспект лекций : учебное пособие / Лыкин А.В.. — Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2019. — 171 c. — ISBN 978-5-7782-3797-1
10. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии : руководство для практических расчетов / Железко Ю.С.. — Москва : ЭНАС, 2016. — 456 c. — ISBN 978-5-93196-958-9.