Рабочие режимы электроэнергетических систем. Методы и средства регулирования рабочих режимов
 Скачать 1.72 Mb.
|
 Рис.8.28  Рис.8.29 Искажение формы синусоиды и возникновение высших гармоник приводит к серьезным техническим и экономическим последствиям. Неблагоприятное влияние несинусоидальности на работу сетей, электрооборудования и электроприемников состоит в следующем: - увеличивается действующее значение напряжения на зажимах ЭП, в результате сложения действующего значения напряжения основной гармоники с действующими значениями напряжения высших гармоник. Как следствие - опасность выхода из строя электрооборудования и источников освещения. - появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, а так же дополнительные отклонения напряжения. Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе. Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали. Кроме того, высокочастотные гармоники тока - это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора. Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке. 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, ее приходится занижать. Например, полная загрузка трансформатора может наступить при использовании лишь 80% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных. Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, вызывают дополнительные потери в шинопроводах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя шинопроводов вследствие перегрева. Протекание по сжатым в пакет шинам в изоляции несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы шинопровода зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать шинопровод на всю его номинальную мощность. В результате приходится занижать мощность и выбирать шинопровод с большим сечением, что существенно увеличивает стоимость объекта. Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения. В кабельных линиях гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов. В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения могут вызывать увеличение потерь на корону. - затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью БК. Во многих случаях в электрических сетях различных классов напряжений при наличии высших гармоник, БК, по существу, не работают: они или отключаются вследствие перегрузки по току, или быстро выходят из строя из за перегрева конденсаторов. В условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Батареи конденсаторов изменяют нормальный путь гармоник тока от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя. Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности емкостного характера и наличии нелинейных электропотребителей существует вероятность проявления резонансных явлений (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах системы электроснабжения, что приводит к опасной их перегрузки по току. Несмотря на то, что этот конденсатор обладает весьма большой емкостью, запасаемая им энергия зависит еще и от напряжения, до которого он был первоначально заряжен. При синусоидальной форме кривой питающего напряжения конденсатор может зарядиться до напряжения большего, чем он может зарядиться при «плоской» форме питающего напряжения. - сокращается срок службы изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов, кабельных линий и аппаратов. 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 электрических машин, трансформаторов, электрических аппаратов и оборудования. Особенно чувствительна к наличию высших гармоник изоляция конденсаторов и кабельных линий, качество диэлектрика которых характеризуется током утечки. Даже при работе с нормально допустимым значении коэффициента несинусоидальности токи утечки за 2-3 года могут увеличится на 35-45%. Возможен перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники. Это происходит тогда, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников не предусмотрена. - увеличивается погрешность активных и реактивных счетчиков индукционного типа. Измерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении и увеличивают погрешность при наличии высших гармоник. Величина и направление гармоник являются важными факторами, так как знак погрешности определяется направлением гармоник. Погрешности измерения, вызываемые гармониками, сильно зависят от типа измерительной аппаратуры. Обычные индукционные счетчики, как правило, завышают показания на несколько процентов (5- 6%) при наличии у потребителя источника искажения. Точное измерение энергии независимо от формы кривых тока и напряжения обеспечивается электронными счетчиками, имеющими более высокую стоимость. - ухудшается работа устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Наблюдается необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств. Когда телекоммуникационные или управляющие сети проходят вблизи силовых сетей, по которым протекают токи высших гармоник, в первых могут наводиться помехи и искажения информационного сигнала. Величина искажения будет зависеть от частоты высших гармоник, длины параллельных участков сетей и расстояния между ними. - снижается коэффициент мощности и вращающий момент асинхронных двигателей. Наличие высших гармоник в напряжении питания электродвигателей является причиной возникновения в магнитном потоке составляющих на частотах высших гармоник, которые в свою очередь будут наводить гармоники ЭДС и, как следствие этого, в обмотках ротора появляются высшие гармоники тока. Эти гармоники будут взаимодействовать с основным магнитным потоком, создавая дополнительные механические моменты на валу электрической машины. В результате создаются гармонические пульсации вращающего момента на валу двигателя. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, приводящая к накоплению усталости металла и возможному разрыву вала ротора электродвигателя. - ухудшается работа бытового электрооборудования. Гармоники, увеличивающие пик напряжения, могут вызвать искажения изображения и изменение яркости в телевизорах. Балластные устройства люминесцентных и ртутных ламп, иногда, содержат конденсаторы и при определенных условиях, может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя. Существуют пределы на допустимые уровни искажений в сетях, питающих компьютеры и системы обработки данных. В некоторых случаях они выражаются в процентах от номинального напряжения (для компьютера IВМ - 5%) либо в виде отношения пика напряжения к действующему значению. Снижение несинусоидальности напряжения обеспечивается рациональным построением схемы электрической сети, применением специальных схемных решений устройства нелинейных нагрузок, которые обеспечивают снижение уровня высших гармоник, генерируемых ими в сеть, а также установкой корректирующих (фильтрующих) устройств. Рациональное построение схем сети и применение специальных схем нелинейных нагрузок необходимо обеспечивать решениями, которые принимаются на стадии проектирования электрических сетей. К таким решениям можно отнести: 1. Питание нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформаторов, либо подключение их к отдельным обмоткам трехфазных трансформаторов; При разработке схемы сети нелинейные устройства следует группировать, отделять их от других и подключать к отдельным шинам распределительных устройств или отдельным обмоткам трансформаторов. 2. Снижение полного сопротивления распределительной сети. Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, которое пропорционально длине линии. Нелинейные нагрузки следует размещать ближе к источнику питания. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно  . При дальнейшем увеличении сечения кабелей их индуктивность остается практически постоянной. Сечение проводников должно выбираться с учетом протекания токов гармоник. Чтобы избежать чрезмерных тепловых потерь, необходимо использовать проводники большего сечения. Протекание гармоник в нулевом проводнике означает, что его сечение тоже должно быть увеличено. Эффективным является использование параллельно соединенных кабелей (проводов). 3. Использование отдельных источников питания. Для ограничения содержания гармоник в сети можно также использовать источник питания с отдельным трансформатором. Недостаток этого способа заключается в повышении стоимости электроустановки. 4. Применение 12-пульсного выпрямителя. Например, для снижения величины коэффициента искажения синусоидальности до уровня менее 10% используют 12-полупериодные выпрямители. Применение 12-пульсного выпрямителя позволит полностью подавить 5-ю и 7-ю гармоники в питающем токе выпрямителя, которые имеют наибольшие амплитуды. 5. Подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью, так как гармонические искажения напряжения уменьшаются с уменьшением полного сопротивления сети. Практически это означает замену трансформатора питания на более мощный. 6. Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы. Необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальное содержание гармоник в нулевом проводе. В случаях, когда описанные выше меры оказываются недостаточными, необходимо оборудовать электроустановку системами фильтрации, которые размещают между питающей сетью и нелинейным электроприемником. Такие системы должны пропускать с минимальными потерями основную гармонику входного тока, а все высшие гармоники в идеале должны быть сведены к нулю. К системам фильтрации высших гармоник можно отнести такие устройств, как: - линейные дроссели переменного тока; - пассивные силовые фильтры и фильтр компенсирующие устройства; - активные фильтры; - гибридные фильтры. 1. Последовательное включение линейных дросселей переменного тока, рис.8.30, является простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник во внешнюю сеть. Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению или уничтожению.  Рис.8.30 Линейные дроссели переменного тока позволяют уменьшить коэффициент искажения синусоидальности в несколько раз, в зависимости от соотношения мощности питающего трансформатора, мощности нагрузки и параметров дросселя. Сетевые дроссели изготавливают в виде трех обмоток, которые размещены на общем сердечнике. Примеры конструкции сетевых дросселей представлены на рис.8.31.  Рис.8.31 Недостатками сетевых дросселей являются высокие массогабаритные и стоимостные показатели. 2. Снижение уровней высших гармоник является только частью задачи обеспечения качества электрической энергии в электрических сетях. В экономическом и техническом отношении более целесообразным является комплексное решение этой задачи путем применения многофункциональных устройств. Примером таких многофункциональных устройств могут быть силовые пассивные резонансные фильтры высших гармоник, которые наряду со снижением уровней высших гармоник генерируют в электрическую сеть необходимую реактивную мощность. Такие устройства называются фильтрокомпенсирующими устройствами (ФКУ). Они состоят из реакторов и батарей конденсаторов. При определенных условиях силовые резонансные фильтры могут также использоваться для симметрирования системы линейных напряжения. В этом случае они получили название фильтросимметрирующих устройств (ФСУ). Фильтры могут применяться для разделения линейных и нелинейных нагрузок (заградительные фильтры) или для поглощения токов высших гармоник.  Рис.8.32 Принцип действия пассивных фильтров заключается в том, что параллельно нелинейной нагрузке устанавливается LC-цепочка, состоящая из последовательно включенных реактора и батареи конденсаторов, настроенная на частоту гармоники, которую необходимо подавить, рис.8.32. Полное сопротивление фильтра определяется формулой:  .При частоте  , которая называется резонансной, реактивная составляющая полного сопротивления становиться равной нулю, а модуль этого сопротивления  , приобретает минимальное значение, равное активному сопротивлению  .Действующее значение напряжения  -й гармоники в  точке присоединения фильтра:  ,где  - действующее значение -ой гармоники тока нелинейной нагрузки.Если фильтр настроен на частоту  , то действующее значение напряжения -ой гармоники уменьшается до величины, определенной активным сопротивлением фильтра . Естественно, чем меньше это активное сопротивление, тем эффективнее работает фильтр. Такие фильтры являются узкополосными и могут быть настроены  строго на одну из гармоник. На рис.8.33, а показана схема узкополосного шунтирующего фильтра, а на рис.8.33,б – его частотная характеристика.  Рис.8.33 При частотах  полное сопротивление фильтра имеет емкостной характер. Таким образом, при частоте 50 герц фильтр генерирует в сеть реактивную мощностью. Поэтому такие фильтры целесообразно применять в тех случаях, когда наряду с решением задачи снижения уровней высших гармоник необходимо осуществлять в сети компенсацию реактивной мощности.3. Активные фильтры являются весьма перспективными многофункциональными устройствами, обеспечивающим, в зависимости от схем, фильтрацию высших гармоник, компенсацию реактивной мощности, уменьшение глубины и длительности провалов напряжения, регулирование напряжения у потребителя. Одно из преимуществ данных устройств является автоматическое изменение параметров компенсации гармоник в зависимости от условий, возникающих в энергосистеме. Активные фильтры используются при динамически изменяющемся спектре, протекающего искаженного тока. Активные фильтры, построенные на элементах силовой электроники, генерируют высшие гармоники тока, соответствующие спектру тока, протекающего по электрической сети, но находящиеся в противофазе ему. Тем самым происходит компенсация токов высших гармоник в сети. 4. Гибридные фильтры, рис.8.34, в которых АФ включаются последовательно или параллельно с ПФ. Они обладают преимуществами как пассивных, так и активных фильтров и пригодны для применения в широком диапазоне мощностей и режимов работы электроустановки.   Рис.8.34 Пассивный фильтр снижает наибольшие гармоники и компенсирует реактивную мощность, а активный дополнительно уменьшает несинусоидальность кривой тока. Применение таких фильтров особенно перспективно при наличии в спектре тока как высших гармоник, так и интергармоник, что характерно для преобразователей частоты. Благодаря наличию в ГФ активного фильтра можно: - повысить эффективность фильтрации в статических режимах работы путем коррекции частотной характеристики; - уменьшить негативное влияние изменения параметров фильтра и отклонения частоты фильтруемой гармоники в процессе эксплуатации; - демпфировать нежелательные резонансные явления, обусловленные пассивными элементами фильтров; - снизить уровень гармонических составляющих тока сети, обусловленных различными источниками ВГ. |