Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Кузнецов Н. М., Бебихов Ю. В., Самсонов А. В., Егоров А. Н., Семенов А. С.,

1.2. Высшие гармоники и их влияние на работу электроустановок

На современных подземных горных предприятиях все большее распространение получают нагрузки, характеристики которых нелинейные. К их числу относятся, в первую очередь, различного рода вентильные преобразователи, применяемые для регулирования координат электропривода. Широкое применение вентильных преобразователей (ВП) обусловлено высокими технико-экономическими показателями и эксплуатационными достоинствами, соответствующими современным требованиям технологических процессов и поэтому становятся главным средством управляемого преобразования электрической энергии в механическую.

Среди неблагоприятных особенностей ВП, ухудшающих их электромагнитную совместимость с примыкающими сетями электроснабжения, наиболее существенными являются потребление реактивной мощности на основной частоте и искажение формы напряжения, сопровождающееся генерированием в сеть высших гармоник (ВГ).

Обе эти особенности обусловлены коммутацией вентилей, но имеют разный механизм происхождения.

Потребление преобразователями реактивной мощности (РМ) на частоте основной гармоник напряжения происходит из-за того, что коммутация тиристоров приводит к отставанию первой гармоники тока от коммутирующих электродвижущих сил, а искажение формы напряжения – из-за того, что эти же коммутации приводят к появлению ВГ в кривой тока.

ВГ напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; возрастает аварийность в кабельных сетях; ухудшается качество работы, а иногда появляются сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

Отсюда – необходимость и важность решения проблемы ЭМС. Источников ВГ – в данном случае ВП с сетями электроснабжения и другими нагрузками, понимая под ЭМС «способность электроустановки функционировать в заданной электромагнитной среде так, чтобы не вызывать недопустимого электромагнитного воздействия (недопустимых помех) на эту среду и находящихся в ней устройств.

Расчет электрических потерь на частотах гармоник необходим для уточнения потерь в сетях предприятий и энергосистем, а также для оценки срока службы электрооборудования. Эти потери относятся к так называемым добавочным потерям, которые определяются помехами в электрических сетях. Методы расчета потерь в электрооборудовании, представленные различными авторами, являются приближенными в силу различных причин. Так, частотные характеристики активных и реактивных сопротивлений электрооборудования являются усредненными, относящимися к конкретному виду оборудования (электродвигателям, трансформаторам, конденсаторам и др.). Нелинейности этих характеристик учитываются с помощью коэффициентов, которые, как правило, различны для разных частот. Влияние поверхностного эффекта и эффекта близости учитывается коэффициентом, характерным для резкого проявления поверхностного эффекта, т.е. , где ? – номер гармоники. Влияние температуры нагрева сопротивления проводников не учитываются.

Предпринимались попытки оценить уровни погрешностей оценки этих добавочных потерь. С этой целью выполнялись расчеты согласно известным методикам для конкретных случаев. Оказалось, что на частотах ВГ до 13-й включительно погрешности расчётов положительны и, как правило, не превышают 7 %, а в 95 % случаев составляют до 5 %. Сказанное относится к расчётам на частотах канонических гармоник. Погрешности расчёта потерь на частотах интергармоник к настоящему времени не достаточно изучены.

Потери в электрических машинах. При работе АД и СД в условиях несинусоидального напряжения возникают добавочные потери мощности, обусловленные временными ВГ тока в обмотках, а также относительно небольшие потери в стали статора и ротора.

Потери в асинхронном двигателе, обусловленные током ?-й ВГ:

где – Rст? и R?рот? соответственно активное сопротивление статора и приведенное активное сопротивление ротора на частоте ?-й гармоники.

Суммарные потери на частотах ВГ:

где ?Pст ном и ?Pрот ном – номинальные потери в обмотках статора и ротора; – относительные значения напряжения ?-й гармоники;
kп – кратность пускового тока.

Для АД средней и большой мощности обычно Rст? ? R?рот?, поэтому, приняв , получим следующую расчетную формулу:

В синхронных машинах потери, обусловленные ВГ, определяются по выражению, аналогичному выражению для АД:

Практика свидетельствует, что даже в случае недопустимых искажений напряжения (KU = 10...15 %) добавочные потери от временных гармоник в СД в шихтованными статором и ротором не превосходят нескольких процентов номинальных потерь, поэтому перегрев явнополюсных СД с шихтованными полюсами на промышленных предприятиях не наблюдался.

Потери от ВГ в синхронных двигателях и компенсаторах с массивными полюсами оказываются значительно большими. Работа таких электродвигателей при несинусоидальном напряжении чревата опасностью недопустимого перегрева и повреждения обмотки возбуждения.

Потери в трансформаторах. В трансформаторах добавочные потери на частотах ВГ зависят от конструкции в двухобмоточных трансформаторах. Суммарные потери, обусловленные токами ВГ, составляют:

Потери от высших гармоник в ЛЭП определяются из выражения:

Коэффициент изменения активного сопротивления токоведущих частей на частоте n-й гармоники .

Активное сопротивление проводника на частоте n-й гармоники

где Kп и Kб – коэффициенты, учитывающие соответственно поверхностный эффект и эффект близости проводников в линии электропередач.

Общие потери от высших гармоник в электрооборудовании и в линиях электропередачи определяются суммой потерь электроэнергии по элементам.

Иногда добавочные потери от ВГ достигают значительного уровня, что исчисляется миллионными убытками при наличии производстве большого количества электрооборудования средней и большой мощности. Так, например, произведена оценка добавочных потер от ВГ на заводах Навоийского горно-металлургического комбината. В результате оценки получилось, что суммарные добавочные потери от ВГ составляют 148836 кВт·ч в год.

В качестве технических средств направленных на снижения уровня гармоник можно выделить два метода: рациональное проектирование схемы электроснабжения; применение специальных технических средств.

Снижение уровней гармоник рациональным построением схемы электроснабжения, при которой обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя, осуществляется путем выделения нелинейных нагрузок на секции шин, питающиеся от отдельных двухобмоточных трансформаторов или отдельных обмоток трехобмоточных трансформаторов связи с энергосистемой; подключения параллельно нелинейным нагрузкам синхронных электродвигателей и компенсаторов, асинхронных электродвигателей и других линейных нагрузок. Очевидно, что этот метод может быть успешно применен в стадии проектирования или при капитальной рекон-
струкции.

Метод применения специальных технических средств, прежде всего, предусматривает применение различного рода фильтров и фильтрокомпенсирующих устройств, которые регулируются на определенные гармоники, особенностью работы фильтров является возможность беспрепятственно пропускать к приемникам токи одних частот и задерживать или пропускать, но с большим затуханием, токи других частот.