Изменения показателей качества ЭЭ. Конспект лекций по дисциплине Измерение показателей качества электрической энергии
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РЫБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. А. СОЛОВЬЕВА» (РГАТУ имени П.А. Соловьева) ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ АСПИРАНТОВ направление подготовки 09.06.01 Информатика и вычислительная техника профиль подготовки 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине Измерение показателей качества электрической энергии Разработал: к.т.н. Манин А. В. Рыбинск, 2014 г. 2 Излагается материал о принципах построения и функционирования средств измерения показателей качества электроэнергии (СИ ПКЭ), типовые структуры средств измерения ПКЭ, способы взаимодействия с элементами автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). 3 Содержание Лекция 1. Основные измеряемые величины и ПКЭ. Отклонение частоты. Медленные изменения напряжения.................................................................................................................. 4 Лекция 2. Колебания напряжения и фликер ............................................................................... 5 Лекция 3. Несинусоидальность напряжения. Коэффициент гармонических составляющих напряжения. Суммарный коэффициент гармонических составляющих. Интергармонические составляющие напряжения ...................................................................... 8 Лекция 4. Несимметрия напряжения в трехфазной сети ......................................................... 11 Лекция 5. Случайные события. Прерывания напряжения. Провалы напряжения и перенапряжения. Импульсные перенапряжения ...................................................................... 13 Лекция 6. Разложение сигналов в ряд по ортогональным функциям. Гармонический анализ. Амплитудно-фазовый спектр. Комплексный спектр. Спектры некоторых периодических сигналов ............................................................................................................. 15 Лекция 7. Мощность и действующее значение токов сложной формы. Произвольное непериодическое воздействие. Спектральный анализ. Некоторые свойства интеграла Фурье. Спектры некоторых сигналов ........................................................................................ 18 Лекция 8. Первичная обработка информации. Классификация алгоритмов фильтрации, аналитической градуировки датчиков, проверки достоверности информации, экстра- и интерполяции ............................................................................................................................... 22 Лекция 9. Система контроля качества электроэнергии. Назначение системы контроля качества электроэнергии. Информационно-измерительный уровень. Уровень сбора данных. Требования, предъявляемые к современным СИ ПКЭ ............................................. 24 Лекция 10. Номенклатура современных СИ ПКЭ. Классификация СИ ПКЭ. Проблемы построения СИ ПКЭ. Обобщѐнная структурная схема СИ ПКЭ ............................................ 27 Лекция 11. Структурная схема измерительных каналов СИ ПКЭ. Устройства гальванического разделения. Структура питания. ................................................................... 34 Лекция 12. Программируемые устройства. Регистраторы аномальных состояний сети ..... 37 4 Лекция 1. Основные измеряемые величины и ПКЭ. Отклонение частоты. Медленные изменения напряжения Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определѐнной электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные кондуктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств. Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). С эволюционным изменением техники изменяются и требования к электромагнитной обстановке, естественно в сторону ужесточения. Так наш стандарт на качество электроэнергии, ГОСТ 13109 от 1967 года, с развитием полупроводниковой техники был пересмотрен в 1987 году, а с развитием микропроцессорной техники пересмотрен в 1997 году. Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97. Наименование ПКЭ Наиболее вероятная причина Отклонение напряжения δU y установившееся отклонение напряжения график нагрузки потребителя Колебания напряжения δU t размах изменения напряжения потребитель с резкопеременной нагрузкой P t доза фликера Несимметрия напряжений в трѐхфазной системе K 2U коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности потребитель с несимметричной нагрузкой K 0U коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности Несинусоидальность формы кривой напряжения K U коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения потребитель с нелинейной нагрузкой K U(n) коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения Прочие Δf отклонение частоты особенности работы сети, климатические условия или природные явления Δt П длительность провала напряжения U имп импульсное напряжение K перU коэффициент временного перенапряжения Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприѐмников и электрической сети. 5 Семь ПКЭ в основном обусловлены потерями (падением) напряжения на участке электрической сети, от которой питаются соседние потребители. Потери напряжения на участке электрической сети (k) определяются выражением: ΔU k = (P k ·R k + Q k ·X k ) / U ном Здесь активное (R) и реактивное (X) сопротивление k-го участка сети, практически постоянны, а активная (P) и реактивная (Q) мощность, протекающие по k-му участкусети — переменны, и характер этих изменений влияет на формирование электромагнитных помех: При медленном изменении нагрузки в соответствии с еѐ графиком — отклонение напряжения; При резкопеременном характере нагрузки — колебания напряжения; При несимметричном распределении нагрузки по фазам электрической сети —несимметрия напряжений в трѐхфазной системе; При нелинейной нагрузке — несинусоидальность формы кривой напряжения. Отклонение фактической частоты переменного напряжения fф от номинального значения fном в установившемся режиме работы системы электроснабжения можно оценить как отклонение: 100 ном ном ф f f f f , и как размах колебаний: 100 min max ном f f f f При нормальном режиме работы энергетической системы допускается отклонение частоты, усреднѐнные за 10 минут в пределах 0,1 Гц, и с размахом колебаний не более 0,2 Гц. Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций. Для устранения этих явлений, необходимо ремонтировать или модернизировать существующие и строить новые электростанции. А пока их нет, активно применяется радикальная мера - автоматическая частотная разгрузка (АЧР), то есть отключение части потребителей при снижении частоты (гильотина - как средство от головной боли). Этот процесс иногда ещѐ называют веерными отключениями. Для потребителя важно знать, в какую очередь отключат его оборудование от сети при таком развитии событий (указывается при заключении договора электроснабжения), аргументировано требовать изменения очерѐдности или иметь собственные резервные генерирующие мощности. Поддержание частоты на необходимом уровне осуществляется мощными генераторами энергетических систем. Электроприѐмники предприятий из-за их незначительной мощности, по сравнению с суммарной мощностью генерирующей системы не могут оказать какого-либо влияния на отклонение частоты в питающей сети. Однако мощные электроприѐмники с резко неравномерной нагрузкой вызывают значительные изменения напряжения в сети, а следовательно, и колебания частоты питающего напряжения. Лекция 2. Колебания напряжения и фликер 6 Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения δU 1 , , частотой повторения изменений напряжения F δUt , интервалом между изменениями напряжения ∆ ti, ti + 1 , дозой фликера Р t . Источниками колебаний напряжения являются потребители электроэнергии с резкопеременным графиком потребления мощности (особенно реактивной). К ним относятся: дуговые сталеплавильные печи, электросварка, поршневые компрессоры и ряд других. При резком возрастании нагрузки происходит резкое увеличение потерь на- пряжения в ветвях сети, питающих эту нагрузку. В результате резко уменьшается напряжение на приемном узле ветви. При резком уменьшении нагрузки происходит уменьшение потерь напряжения и, следовательно, увеличение напряжения на приемном узле ветви. Отмечается, что в электрических сетях распространение колебаний напряжения происходит в направлении к шинам низкого напряжения практически без затухания, а к шинам высокого напряжения - с затуханием по амплитуде. Этот эффект проявляется в зависимости от мощности короткого замыкания S КЗ СИСТ системы. При распространении колебаний напряжения в любом направлении их частотный спектр сохраняется. Размах изменения напряжения - разность между следующими друг за другом действующих значений напряжения любой формы, т. е. между следующими друг за другом максимальным и минимальным значениями огибающей действующих значений напряжения. Огибающая действующих (среднеквадратичных) значений напряжения - ступенчатая временная функция, образованная действующими значениями напряжения, определенными на каждом полупериоде напряжения основной частоты. Если огибающая действующих значений напряжения имеет горизонтальные участки (при спокойном графике нагрузки), то размах изменения напряжения определяется как разность между соседними экстремумом (максимумом или минимумом ) и горизонтальным участком или как разность между соседними го- ризонтальными участками (рис.1). Длительность изменения напряжения - интервал времени от начала одиночного изменения напряжения до его конечного значения (см. рис. 1). Рис. 1. Колебания напряжения (пять размахов изменений напряжения) Ф л и к е р (мерцание) - субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники. Доза фликера - мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени, т. е. интегральная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение мерцаниями (миганиями) светового потока. Дозу фликера напряжения в процентах в квадрате вычисляют по выражению 7 Время восприятия фликера - минимальное время для субъективного восприятия человеком фликера, вызванного колебаниями напряжения. Рис. 2. Зависимости частоты допустимых изменений напряжения от частоты их появления Предельно допустимые значения размаха изменения напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям в зависимости от частоты повторения изменений напряжения F δUt , или интервала между изменениями напряжения равны значениям, определяемым по кривым рис. 2. Кривая 1 - для потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания. Кривая 2 - в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение. Перечень помещений с разрядами работ, требующих значительного зрительного напряжения, устанавливают в нормативных документах, утверждаемых в установленном порядке. Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения δU y и размаха изменений напряжения δU t , в точках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10% от номинального напряжения. Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера Р 5t при колебаниях напряжения равно 1.38, а для длительной дозы фликера Р Lt при тех же колебаниях напряжения равно 1,0. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч. Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера Р St в точках общего присоединения потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равно 1,0, а для длительной дозы фликера Р Lt в этих же точках равно 0,74. 8 Лекция 3. Несинусоидальность напряжения. Коэффициент гармонических составляющих напряжения. Суммарный коэффициент гармонических составляющих. Интергармонические составляющие напряжения Электроприѐмники с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаѐт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения. Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря - выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее. Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику. Несинусоидальные кривые можно рассматривать как сложные гармонические колебания, состоящие из совокупности простых гармонических колебаний различных частот. Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения - частоту первой гармоники (f n=1 = 50 Гц, f n=2 = 100 Гц, f n=3 = 150 Гц ...). Рис. 2.3 Напряжение на зажимах нагрузки с вентильным преобразователем. В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чѐтные и нечѐтные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трѐм). С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается. ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно. Амплитуды и фазы высших гармоник токов зависят от углов коммутации и регулирования преобразователей. При ориентировочных расчѐтах можно пренебречь углом коммутации, и оценку высших гармоник приблизительно можно определить как : 1 I I (2.10) 9 В амплитудных спектрах первичных токов могут присутствовать как канонические гармоники (5, 7, 11…), так и неканонические или анормальные (2, 3, 4, 6, 8…). Основной причиной анормальных гармоник является ассиметрия импульсов управления. Влияние анормальных гармоник на гармонический состав невелико и обычно учитывается с помощью поправочного коэффициента. Всякую периодическую функцию можно представить тригонометрическим рядом Фурье: 1 0 ) sin cos ( ) ( t b t a A t f , (2.11) где А 0 – постоянная составляющая, ν – номер гармоники, a ν , b ν - коэффициенты ряда Фурье. При ν=1 определяется гармоника, называемая основной. Остальные члены ряда называются высшими гармониками. Коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам: 2 0 ) ( cos ) ( 1 t td t f a (2.12) 2 0 ) ( sin ) ( 1 t td t f b (2.13) Амплитуда ν-ой гармоники 2 2 b a A , а еѐ начальная фаза b a arctg (2.14) Степень несинусоидальности напряжения сети обычно характеризуют коэффициентом несинусоидальности напряжения, который представляет отношение действующего значения напряжений высших гармоник к напряжению первой гармоники: 100 1 2 2 U U K нс , (2.15) где U ν , U 1 – действующие значения напряжений ν-ой и 1-ой гармоник. Искажение формы напряжения отрицательно сказывается на работе многих элементов систем электроснабжения. Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, - учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы. В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери активной мощности. Приблизительную оценку дополнительных потерь мощности можно выполнить по формуле: 10 R I P n нс 3 2 3 , (2.16) где R ν – активное сопротивление току ν-ой гармоники, I ν – ток ν-ой гармоники. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %. Наибольшие дополнительные потери активной мощности возникают в трансформаторах, двигателях и генераторах. Иногда эти дополнительные потери становятся причиной недопустимого перегрева обмоток и выходу оборудования из строя. Возрастает недоучѐт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счѐтчики гармоник обратной последовательности. При наличии высших гармоник процессы старения изоляции оборудования протекают более интенсивно. Это объясняется ускорением физико-химических процессов в диэлектриках при высоких частотах. Неправильно срабатывают устройства управления и защиты. Выходят из строя компьютеры. Наличие высших гармоник затрудняет, и даже делает невозможным передачу информацию по силовым сетям (высокочастотная связь). Ухудшается работа вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока. Нормативные документы ограничивают несинусоидальность формы кривой напряжения. Эквивалентное действующее значение высших гармоник не должно превышать 5% действующего напряжения основной гармоники на зажимах любого приѐмника энергии. Расчѐт высших гармоник может быть произведѐн: аналитическим методом; вероятностным методом, приближѐнной оценкой. Аналитические методы выполняют с помощью ЭВМ для определения несинусоидальности формы кривой напряжения в узлах системы электроснабжения и определения целесообразности применения средств для уменьшения уровней высших гармоник. Однако такие методы требуют большого количества исходных данных и не учитывают возможных изменений параметров и режимов работы электроприѐмников. Поэтому, в большинстве случаев используют вероятностные методы расчѐта, основанные на экспериментальных данных, снятых с действующего оборудования. Во многих случаях перед исследователями стоит задача просто оценить приблизительное значение высших гармоник, поэтому существуют приближѐнные зависимости для оценки высших гармоник. Например, для выпрямителя: 1 2 к ном в в к в г в pu I I S S U , (2.17) где S в , I в – мощность и ток выпрямителя, S к – мощность короткого замыкания системы, I в. ном. – номинальный ток выпрямителя, p – число фаз выпрямления, u к – напряжение короткого замыкания. 11 Лекция 4. Несимметрия напряжения в трехфазной сети Несимметрия трехфазной системы напряжений появляется при наличии в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности. Основной причиной возникновения несимметрии напряжения являются потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам. К ним относятся: однофазные потребители, включаемые на фазное либо междуфазное напряжения; трехфазные потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам (в частно- сти, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки). Причиной несимметрии напряжений может быть также несимметрия сопротивлений сети по фазам. Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии обратной последовательности, и нулевой последовательности, которые представляют собой отношение действующего значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательности к действующему значению напряжения прямой последовательности (к номинальному напряжению): (9) U2(1) и U01) действующие значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений, В и кВ. Метод симметричных составляющих относится к специальным методам расчета трехфазных цепей и широко применяется для анализа несимметричных режимов их работы, в том числе с нестатической нагрузкой. В основе метода лежит представление несимметричной трехфазной системы переменных (ЭДС, токов, напряжений и т.п.) в виде суммы трех симметричных систем, которые называют |