Рабочие режимы электроэнергетических систем. Методы и средства регулирования рабочих режимов

• Название: Рабочие режимы электроэнергетических систем. Методы и средства регулирования рабочих режимов
• Дата: 21.12.2021
• Размер: 1.72 Mb.
• Имя файла: KONTROShA.docx
• Тип: Глава; #311909
• страница: 6 из 7

§10 Несимметрия в электрических сетях и мероприятия

по ее снижению

Несимметричные ре­жимы в электрических сетях возникают по следую­щим причинам:

- неодинаковыми нагрузками в различных фазах элементов сети;

- неполнофазной работой линий или других элементов в сети;

- различными параметрами линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из за неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и быто­вых электроприемников (ЭП) малой мощности. Количество таких однофаз­ных ЭП велико, и их нужно равномерно распреде­лять по фазам для умень­шения несимметрии.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных ЭП, а в ряде случаев и трехфазных ЭП с не­одинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые стале­плавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных се­тях 0,38—10 кВ—это однофазные термические установ­ки, различного тип пе­чи, нагревательные установки и сварочные аппараты различной мощно­сти.

Различают два вида несимметрии:

- систематическую, которая обусловлена неравномерной и постоян­ной перегрузкой одной из фаз;

- вероятностную, или случайную, которая соответствует непостоян­ным нагрузкам, при которых в разное время пе­регружаются разные фазы в зави­симости от случайных факторов.

Неполнофазная работа элементов сети вызывается:

- крат­ковременным отключением одной или двух фаз при корот­ких замыканиях;

- длительным отключением при пофазных ремонтах;

- отключением трансформатора группы, составленной из одно­фаз­ных трансформаторов, при аварийном отключении одной фазы.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах.

Выделяют следующие типы несимметрии:

- несимметрию напряжений;

- несимметрию токов;

- фазовую несимметрию или несимметрию углов сдвига фаз.

Для анализа и расчетов несимметричных режимов в линейных трех­фазных цепях (сетях) применяется метод симметричных составляющих. В его основе лежит возможность представления несимметричной системы ве­личин (напряжений, токов) суммой трех симметричных систем и замена рас­чета несимметричного режима работы трехфазной цепи расчетом трех сим­метричных режимов.

В соответствии с методом симметричных составляющих любую не­симметричную трехфазную систему величин можно представить суммой трех симметричных трехфазных систем: прямой, обратной и нулевой после­довательности, для каждой из которых явления в фазах подобны. Эти сис­темы называют симметричными составляющими данной несимметричной трехфазной системы. Этот метод позволяет ограничиться рассмотрением процесса только для одной фазы, что является его преимуществом.

Так, на рисунке 8.23 видно, что несимметричную трехфазную систем , рис.8.23, г, можно заменить суммой трех симметричных систем:

а) системы величин прямой последовательности (трехфазной системы, в которой величины равны по амплитуде, сдвинуты по фазе на , с прямым чередованием фаз , как и в рассматриваемой несиммет­ричной системе.);

б) системы величин обратной последовательности (трехфаз­ной системы, в которой величины равны по амплитуде, сдвинуты по фазе на градусов, с обратным чередованием фаз );

в) системы величин нулевой последовательности (трехфаз­ной системы, в которой величины равны по амплитуде и совпадают по фазе).

Таким образом, несимметричная система векторов , рис.8.23, со­стоит из трех симметричных систем: (8.1)



Рис. 8.23

Воздействие несимметричной системы напряжений на электрообору­дование и сети такое же, как трех симметричных систем.

Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательности приводит к дополнительным потерям мощ­ности и энергии, а также поте­рям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические по­казатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей увеличи­вают потери в продольных ветвях сети, а напряже­ния и токи этих же после­довательностей — в поперечных ветвях.

Возможные последствия несимметрии напряжения при ее наличии в системах электроснабжения:

1. 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, встречающихся в практике , 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. В целом срок службы АД при сокращается на 11%.

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.

2. 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. Снижение срока службы СД при составляет 16%.

3. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 0,1, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16 %.

Снижение срока службы трансформаторов при состав­ляет 4%.

4. При несимметрии линейных напряжений реактивная мощность, ге­нерируемая БК, изменяется по сравнению с номинальным значением.

При = 0,050,06 значение . Поскольку на практике напряжение может быть больше или меньше напряжения , то возможно как увеличение, так и уменьшение генерируемой реактивной мощности. В последнем случае в наиболее загруженной фазе значение теп­ловых потерь может значительно превосходить номинальное значение. В ре­зультате появляется местный перегрев изоляции, приводящий к сокращению срока ее службы на 20%.

5. Для однофазных потребителей несимметрия напряжения непосред­ственно связана с уровнем напряжения на зажимах однофазных электропри­емников, который может быть, как ниже, так и выше номинального. В первом случае могут возникать проблемы с пуском в работу оборудования, про­блемы с зажиганием и работой энергосберегающих ламп. Во втором – опас­ность выхода из строя электрооборудования и источников освещения.

6. Несимметрия вызывает дополнительные технические и комерческие потери электроэнергии и неточности ее учета.

Существует два основных метода снижения несимметрии напряжений:

1. При стабильном графике нагру­зок снижение систематической не­симметрии напряжений в сети может быть достигнуто схемными решениями, т.е. выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с пере­груженной фазы на ненагруженную.

2. При невозможности обеспечить требуемый уровень несиммет­рии напряжений с помощью схемных решений применяют специальные симметрирующие устройства (СУ).

Симметрирование с помощью СУ сводится к компенсации эквивалент­ного тока обратной последовательности несимметричных нагрузок и, следова­тельно, обусловленного ими напряжения обратной последовательности. В зави­симости от места установки СУ различают индивидуальный, групповой, цен­трализованный и комбинированный способы симметрирования. Индивидуаль­ные СУ устанавливаются непосредственно у несимметричных ЭП. Индивиду­альный способ позволяет устранить несимметрию токов и напряжений непо­средственно у потребителя, но при этом установленная мощность силовых элементов СУ используется нерационально. При групповом симметрировании в различных точках сети устанавливается несколько СУ, каждое из которых симметрирует определенный участок сети с подключенной к нему группой не­симметричных электроприемников. При централизованном симметрировании в распределительной сети устанавливается одно СУ. Комбинированный способ симметрирования заключается в различным сочетании индивидуальных, груп­повых и централизованных СУ.

Выбор способа симметрирования определяется в основном парамет­рами сети и характером нагрузок.

Симметрирующие устройства выполняются неуправляемыми или управ­ляемыми в зависимости от особенностей графика нагрузки. Известно большое число схем СУ, которые имеют как электрические, так и электромагнитные связи между элементами.

На рис.8.24 представлена схема с одним регулируемым эле­ментом .

Рис.8.24

Симметрирование системы напряжений может быть осуществлено также путем введения системы добавочных ЭДС. Суть этого способа сим­метрирования заключается в том, что между источником и приемником в разрыв линейных проводов включаются дополнительные источники ЭДС, образующие систему обратной последовательности. В результате суммиро­вания ЭДС основного и добавочного источников их симметричные состав­ляющие обратной последовательности взаимно компенсируются, напряжение на приемнике становится симметричным. На практике в качестве источника добавочной системы ЭДС могут быть использованы последовательные (вольтдобавочные) трансформаторы ВДТ и трансформаторы с пофазным ре­гулированием коэффициента трансформации.

В

ДТ позволяет регулировать амплитудную и фазовую несимметрии. Подробнее о применении ВДТ было рассмотрено в предыдущем параграфе. Электрические, индуктивно-емкостные, СУ подключаются к сети парал­лельно с несимметричной нагрузкой; они представляют собой комбинацию индуктивных и емкостных элементов. Наибольшее распространение получила схема Штейнметца, показанная на рис.8.25.

Рис.8.25 Рис.8.26

Для симметрирования системы линейных напряжений при однофазных и двух- и трехфазных несимметричных нагрузках широко применяются БК с неодинаковыми мощностями фаз, используемые для компенсации реактив­ной мощности в сети, рис.8.26.

Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности и снижения сопротивления нулевой последовательности в элементах сети.

Уменьшение тока в первую очередь достигается перераспределением
нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использова­нием сетей, в кото­рых все или часть трансформаторов ра­ботают параллельно на стороне НН. Снижение сопротивления можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ путем увеличения сечения нулевого провода. Целесообразность уве­личения сечения нулевого провода кабельных линий должна быть специ­ально обоснована соответствующими технико-экономическими расчетами.


§11 Несинусоидальность в электрических сетях и мероприятия

по борьбе с ней

В процессе производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электроэнергии имеют место искажения формы синусоидальных токов и напряжений. Это связано с тем, что реальные синхронные генераторы электростанций не обеспечивают, строго говоря, синусоидальной формы кривых напряжения, а с другой стороны, наличие нелинейных элементов в электрических сетях: трансформаторов и реакторов, а также электроприемников с нелинейными вольтамперными и веберамперными характеристиками приводит к искажению формы токов даже при синусоидальных ЭДС источников.

Искажения, вносимые в процессах производства, преобразования, передачи и распределения электрической энергии синхронными генераторами, силовыми трансформаторами и шунтирующими реакторами удается эффективно минимизировать на стадиях их проектирования и (или) эксплуатации. Поэтому, эти искажения, обычно, не оказывают существенного влияния на систему электроснабжения и на работу ЭП. Исходя из сказанного, главной причиной искажений синусоидальных токов и напряжений в системах электроснабжения являются ЭП с нелинейными характеристиками.

Источники искажения синусоидального напряжения могут быть сгруппированы по основным типам:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания, выпрямители, конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты;

2. Сварочные машины, дуговые плавильные печи, сварочные автоматы; 3. Статические преобразователи частоты, выпрямительные установки;

4. Бытовая техника: компьютеры, телевизоры, СВЧ-печи,

5. Вращающиеся электромеханические преобразователи;

6. Освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы), газоразрядные осветительные устройства.

Явления, происходящие в линейных цепях при периодических несинусоидальных напряжениях и токах, проще всего поддаются расчету и исследованию, если несинусоидальные величины представить в виде суммы синусоидальных величин при помощи разложения в тригонометрический ряд Фурье. Если цепь линейна, то ее можно рассчитать для каждой синусоидальной величины в отдельности, используя символический метод, а затем просуммировать полученный результат.

Из курса математики известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию  удовлетворяющую условиям Дирихле, т.е. имеющую за полный период конечное число максимумов, минимумов и разрывов первого рода, можно представить в виде тригонометрического ряда Фурье:

Первый член ряда называется постоянной составляющей, второй - - первой или основной гармоникой (во-первых, его частота совпадает с частотой самой функции, во-вторых, он несет в себе максимальную мощность по сравнению с другими гармониками). Остальные члены ряда – это высшие гармоники. Гармоники представляют собой синусоиды с начальными фазами , частота которых увеличивается с их порядковым номером.

Тригонометрический ряд после раскрытия синуса суммы для каждой из гармоник, можно записать и в иной форме:



Формулы для вычисления значений коэффициентов и начальных фаз , можно найти в справочной литературе по математике и электротехнике.

Хотя теоретически ряд Фурье содержит бесконечно большое число слагаемых, однако он, как правило, быстро сходится. А сходящимся рядом можно выразить заданную функцию с любой степенью точности. На практике достаточно взять небольшое число гармоник (3-5) для получения точности расчетов в несколько процентов.


Рис.8.27
Каждая несинусоидальная функция имеет свой гармонический состав. Например, она может содержать только четные или только нечетные гармоники, иметь или не имеет постоянной составляющей. Значительное число несинусоидальных функций, с которыми приходиться встречаться в электротехнике и электроэнергетике, рис. 8.27, удовлетворяют условию . Функции, удовлетворяющие этому условию, называются симметричными относительно оси абсцисс. Они раскладываются в ряд, который не содержит четных гармоник и постоянной составляющей:



Примеры разложения в ряд Фурье простейших из наиболее часто встречающихся в электротехники и электроэнергетики кривых можно найти в справочной литературе по электротехнике.

В качестве примера, на рис.8.28, показана несинусоидальная функция, содержащая первую, третью и пятую синусные гармоники. А на рис. 8.29 функция - состоящая из первой и пятой синусных гармоник.