Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПРОГРАММНОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПИТАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Горева Т. С., Портнягин Н. Н.,

1.2. Влияние параметров электроэнергии на электрооборудование

Качество электрической энергии определяется совокупностью свойств, обусловливающих её пригодность для нормальной работы приемников. Все приемники электрической энергии рассчитаны на работу при определенных (номинальных) значениях напряжения и частоты в сети. Для многих из них важна форма кривой питающего, а для трехфазных приемников необходимо обеспечить симметрию напряжений разных фаз.

В реальных условиях значения напряжения и частоты отличаются от номинальных, искажается форма криво питающего напряжения и симметрия напряжений в трехфазной сети. Нарушение этих условий могут быть длительными или кратковременными в зависимости от вызвавших их причин и по-разному влияют на работу приемников [35, 41].

Когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10–15 % от полной мощности потребителей, каких – либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидным. Высшие гармонические составляющие в токах нелинейных электропотребителей приводят к негативным, а иногда и катастрофическим последствиям [32].

1. Искажение синусоидальности питающего напряжения. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является деформация синусоиды напряжения, действующая на зажимах нагрузки.

Сеть для любого электропотребителя, представляет собой какое – то сопротивление. Несинусоидальные токи, протекая по этому сопротивлению, вызывают падение напряжения на нем. В результате на зажимах нелинейного электропотребителя, а так на зажимах всех остальных электропотребителей, включенных параллельно ему, появляется несинусоидальное напряжение.

2. Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода трансформатора из строя вследствие перегрева. Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы трансформатора зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать трансформатор на всю его номинальную мощность, её приходится занижать. Если не учитывать превышение температуры, срок службы трансформатора значительно уменьшается.

Рис. 1.3. Гистограмма распределения гармоник сигналов
с импульсными помехами различной амплитуды

Рис. 1.4. Гистограмма распределения высших гармоник сигналов
с импульсными помехами различной амплитуды

Высокочастотные гармоники тока – это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора. Для линейных нагрузок потери на вихревые токи составляют в общих потерях приблизительно 5 %, с нелинейной нагрузкой они возрастают в 15–20 раз [32].

3. В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть для повышения коэффициента мощности электроустановки.

Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсатора являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте f:

Батареи конденсаторов изменяют нормальный путь гармоник тока от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя. Так как сопротивление элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей появляется вероятность возникновения резонансных явлений на отдельных элементах системы электроснабжения [32].

4. Сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их дополнительному нагреву. В электрических машинах токи нулевых последовательностей создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к ухудшению характеристик и дополнительному нагреву сердечников (статоры асинхронных двигателей, магнитопроводы трансформаторов).

Сущность электрического старения состоит в возникновении так называемых частичных разрядов, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка, например частичные разряды в газовых включениях, связанных с рассеянием энергии, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. Развитие местных дефектов в изоляции приводит к сокращению срока службы [32].

5. Необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств. Этот процесс обусловлен протеканием несинусоидальных токов и, следовательно, действием поверхностного эффекта и эффекта близости.

6. Ускоренное старение изоляции и кабелей. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.

7. Помехи в сетях инфокоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. В следствии протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока в кабелях инфокоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияние на телекоммуникации оказывают гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоник, тем больше уровень помех, наведенных ими в инфокоммуникационнных сетях [32].

Отклонения напряжения от номинальных значений, колебания напряжения и частоты, искажения симметрии и синусоидальности напряжений приводят к ряду нежелательных явлений. В частности:

– увеличиваются потери электроэнергии в сетях и в электрооборудовании;

– увеличение потерь электроэнергии в оборудовании вызывает дополнительный его нагрев, что приводит к сокращению сроков службы оборудования или необходимости увеличения его мощности;

– при работе электроприемников с пониженным качеством электроэнергии наблюдается снижение их производительности.

Отклонение напряжения оказывает значительное влияние на работу электродвигателей. В случае снижения напряжения на зажимах двигателя уменьшается реактивная мощность намагничивания, при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции. Повышенный износ изоляции приводит к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя, возможно его «опрокидывание» из-за уменьшения вращающего момента и частоты вращения ротора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выходах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо компенсировать.

Повышение напряжения отрицательно сказывается на сроке службы, как изоляции, так и всего оборудования в целом, при этом увеличивается вероятность пробоя диэлектриков. При повышении напряжения сверх номинального происходит перерасход электроэнергии по сравнению с уровнем её потребления в номинальном режиме работы электрооборудования.

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

При несимметрии напряжения 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.

При наличии высших гармоник в системе электроснабжения появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батареи конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи; имеют место и другие негативные последствия.

При работе асинхронного двигателя в условиях несинусоидального напряжения его коэффициент мощности и вращающий момент на валу снижаются.

Существенно влияние высших гармоник на изоляцию электрических машин и конденсаторов, а также на измерительные приборы и устройства автоматики. Искажение формы кривой напряжения активизирует возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При этом развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и сокращений срока службы.

При наличии ВГ в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов притекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие их старение, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием ВГ тока.

Батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами ВГ не более чем на 30 %; допустимое повышение напряжения составляет 10 %.Однако в этих условиях срок их службы сокращается.

Высшие гармоники тока, проникая в сети ЭС, приводят к ухудшению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит; в особенности значительно влияние ВГ на устройства, содержащие полупроводниковые элементы.

Высшие гармоники напряжения и тока усиливают воздействие других видов электромагнитных помех.

При резких снижениях напряжения в сети вероятность отказов электронных систем в условиях несинусоидальных режимов значительно возрастает.

Для регулирования частоты вращения двигателей нередко используют полупроводниковые преобразователи частоты. Выпрямители и преобразователи частоты в процессе работы нагружают источник питания несинусоидальным током. Коммутируемый ток ik вызывает изменение напряжения источника питания u, а поскольку коммутация происходит каждый полупериод питающего напряжения, изменения напряжения носит устойчивый характер и, по сути, изменяют форму питающего напряжения. В результате при соизмеримой по мощности с генератором нагрузке приемники питаются напряжением, по форме существенно отличающимся от синусоиды.

В табл/ 1.5. приведены основные сведения о влиянии искажений формы кривой напряжения на электрооборудование [34, 40].

Таблица 1.5

Влияние искажений напряжения на работу электрооборудования