Повышение напряжения сети у люминесцентных ламп приводит

Влияние отклонений напряжения на работу электроприемников

Значительное влияние напряжения сети на работу электроприемников заставляет уделять большое внимание поддержанию напряжения на зажимах потребителей, близкого к номинальному напряжению. Подводимое к потребителям напряжение является одним из качественных показателей электроэнергии.

Изменения напряжения в сети можно классифицировать следующим образом:

1. Медленно протекающие изменения напряжения, которые обычно и бывают при работе сети. Эти изменения называются отклонениями напряжения . Отклонения напряжения определяются как разность действительного напряжения на зажимах электроприемников и номинального напряжения. Отклонения напряжения могут быть отрицательными и положительными величинами. Первым соответствуют понижения напряжения по отношению к номинальному, вторым — повышения напряжения .

Отклонения напряжения в электрических сетях обусловливаются изменениями нагрузок сети, режимов работы электростанций и т. д.

2. Быстро протекающие изменения напряжения вследствие аварий в электрических системах и других причин. В качестве примеров можно указать на короткие замыкания, качание машин, включение и отключение одного из элементов установки и т. п. Быстро протекающие изменения называются колебаниями напряжения .

Все приемники электрической энергии конструируются для работы при определенном номинальным напряжении. Отклонения напряжения от номинального на их зажимах ведет к ухудшению работы электроприемников.

Изменение основных характеристик ламп накаливания в зависимости от напряжения на их зажимах дано на рис. 1.

Рис. 1. Характеристики ламп накаливания: 1 — световой поток, 2 — светоотдача, 3 — срок службы (цифры на ординате для кривых 1 и 2).

Приведенные кривые показывают большое влияние напряжения на работу ламп накаливания. Например, снижению напряжения на 5% соответствует уменьшение светового потока на 18%, а понижение напряжения на 10% вызывает снижение светового потока лампы более чем на 30%.

Снижение светового потока ламп приводит к уменьшению освещенности рабочего места, в результате чего уменьшается производительность труда и ухудшаются качественные показатели.

Плохое освещение рабочих мест, проходов, улиц и т. д. увеличивает количество несчастных случаев с людьми. Понижение напряжения ухудшает к. п. д. ламп накаливания. Снижение напряжения на 10% уменьшает световую отдачу лампы (лм/м/вт) на 20%.

Повышение напряжения сети приводит к увеличению к. п. д. ламп. Но повышение напряжения влечет за собой резкое уменьшение срока службы ламп. При повышении напряжения на 5% срок службы ламп накаливания уменьшается вдвое, а при повышении на 10% — более чем в 3 раза.

Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения сети. Отклонения напряжения на 1 % в среднем вызывают изменение светового потока лампы на 1,25%.

У бытовых нагревательных приборов (плитки, утюги и т. п.) нагревательные элементы состоят из активных сопротивлений. Мощность, отдаваемая ими в зависимости от напряжения сети, выражается уравнением

P = I 2 R = U 2 /R

показывающим, что снижение напряжения сети вызывает резкое уменьшение мощности, отдаваемой нагревательным прибором. Последнее приводит к значительному увеличению времени работы прибора и перерасходу электроэнергии на приготовление пищи и т. д.

Характеристики всех других бытовых электроприборов также зависят от подведенного напряжения. При изменениях напряжения на зажимах электродвигателей изменяются вращающий момент, потребляемая мощность и срок службы изоляции обмоток.

Вращающие моменты асинхронных электродвигателей пропорциональны квадрату приложенного к их зажимам напряжения. Если момент двигателя при номинальном напряжении принять за 100%, то при напряжении 90%, например, вращающий момент составит 81%. Сильное снижение напряжения может даже привести к остановке электродвигателей или невозможности пустить электродвигатель, приводящий в движение машину с тяжелыми условиями пуска (подъемники, дробилки, мельницы и т. д.). Недостаточные (вращающие моменты электродвигателей могут явиться причиной брака продукции, порчи полуфабриката и т. п.

Зависимости изменения потребляемой электродвигателями мощности от напряжения при стационарном режиме работы системы называются статическими характеристиками электрической нагрузки потребителей .

При понижении напряжения активная мощность, потребляемая электродвигателем, уменьшается вследствие уменьшения вращающего момента и связанного с этим увеличения скольжения.

Увеличение скольжения вызывает возрастание потерь активной мощности в двигателе. При увеличении напряжения скольжение уменьшается и потребная для привода механизма мощность увеличивается. Потери активной мощности в электродвигателе уменьшаются.

Анализ показывает, что активная нагрузка от электродвигателей при изменениях напряжения, соответствующих нормальным режимам работы системы, меняется незначительно и потому может приниматься постоянной.

Изменение реактивной нагрузки электродвигателей от напряжения зависят от соотношения реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности рассеяния двигателей. Реактивная мощность намагничивания изменяется примерно пропорционально четвертой степени напряжения. Реактивная мощность рассеяния, зависящая от тока электродвигателей, изменяется обратно пропорционально примерно второй степени напряжения.

При снижениях напряжения против номинального (до некоторой величины) реактивная нагрузка электродвигателей всегда снижается. Объясняется это тем, что реактивная мощность намагничивания, составляющая до 70% всей реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, снижается быстрее, чем увеличивается реактивная мощность рассеяния.

Зависимости потребления реактивной мощности от напряжения сети для некоторых потребителей приведены на рис. 2. Эти кривые — статические характеристики электрических нагрузок потребителей в целом, т. е. с учетом влияния на них трансформаторов, освещения и т. д.

Рис. 2. Статические характеристики электрических нагрузок: 1 — бумажный комбинат, cos φ = 0,92, 2 — металлообрабатывающий завод, cos φ = 0,93, 3 — текстильная фабрика, cos φ = 0,77.

Кривая 1 бумажного комбината идет очень круто. Чем меньше загрузка двигателей и чем выше коэффициент мощности их при номинальном напряжении, тем круче идет кривая зависимости потребляемой реактивной мощности от напряжения сети. Длительное снижение напряжения на 10% на зажимах электродвигателей при полной их загрузке приводит вследствие более высокой температуры обмоток к износу изоляции двигателей примерно вдвое скорее, чем при номинальном напряжении.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Электроснабжение, электрические сети — Качество электроэнергии. Регулирование напряжения

В условиях непрерывного совершенствования и развития новых технологических процессов, автоматизации производства, внедрения в быт все большего числа электрических приборов и аппаратов качество электроэнергии приобретает все большее значение.
Для электрических сетей переменного тока показателями качества электрической энергии являются допустимые отклонения и колебания частоты и напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, смещение нейтрали и несимметрия напряжений основной частоты.
Технические требования к качеству электроэнергии у ее приемников при нормальных и послеаварийных эксплуатационных режимах работы электрических систем и стационарных электрических сетей общего назначения переменного тока частотой 50 Гц и постоянного тока устанавливаются ГОСТ 13109—67 «Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения». Далее излагаются основные требования, вытекающие из ГОСТа.
В городских и других сетях, где нагрузки зависят от многих случайных, и к тому же часто изменяющихся, факторов требования ГОСТа должны выполняться не менее чем в 95% случаев.
При рассмотрении вопроса о требованиях к уровням напряжения следует различать:
а) сравнительно медленно протекающие изменения напряжения, обусловливаемые изменениями режимов напряжения центра питания и режимов нагрузок сети, при которых скорость изменения напряжения меньше 1% в секунду; такие изменения называются отклонениями напряжения. О допустимых величинах отклонений напряжения было сказано в § 6.1;

б) быстро протекающие, кратковременные изменения напряжения, вызываемые работой электроприемников, например, включением короткозамкнутого электродвигателя, рентгеновского аппарата в больнице, коротким замыканием и пр., когда скорость этих изменений больше 1% в секунду. Такие изменения напряжения называются колебаниями напряжения. Колебание напряжения характеризуется разностью между наибольшим Umax и наименьшим Umin действующими значениями напряжения:

Если колебания напряжения выражаются в процентах от номинального напряжения, то
(6.37
Регламентируемые величины колебании напряжения сверх допускаемых отклонений напряжения на зажимах осветительных ламп и радиоприборов в зависимости от частоты их повторения определяются по формуле 3.1, приведенной в гл. III.
Для отдельных установок с резко переменным характером нагрузки (например, в электрических сетях металлургических заводов с прокатными станами) допускаются колебания напряжения до 1,5% от номинального при неограниченной их частоте.
В электрических сетях сельскохозяйственных районов и в сетях, питающихся от шин тяговых подстанций электрифицированного транспорта, при наличии специальных технико-экономических обоснований с разрешения Министерства энергетики и электрификации СССР, допускаются другие значения колебаний напряжения.
Упомянутый ГОСТ 13109—67 устанавливает также требования к отклонениям частоты, т. е. к разности между фактическим и номинальным ее значением, усредненным за 10 мин. Величина отклонения частоты должна быть не более ±0,1 Гц. Временная работа энергосистемы допускается с отклонением частоты не более ±0,2 Гц.
Сверх допустимых отклонений частоты возможны колебания частоты не более ±0,2 Гц.
Колебаниями частоты называется разность между наибольшим и наименьшим ее значениями в процессе быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения основной частоты не меньше 0,2 Гц в секунду.
В жилых и общественных зданиях осветительные, бытовые и некоторые силовые электроприемники обычно бывают однофазными. В районах с малоэтажной застройкой (небольшие города, поселки и т. д.) к трехфазным наружным магистральным линиям
присоединяются однофазные вводы в дома или выполняются однофазные и двухфазные ответвления на группу домов или даже на целую улицу. На промышленных предприятиях также применяется немало однофазных электроприемников (сварочные аппараты, нагревательные печи и т. д.). В этих условиях создать одинаковую нагрузку фаз практически невозможно.
Так, например, по опытным данным даже в кабельных сетях Москвы и Ленинграда, где вводы в крупные жилые здания выполняются, как правило, трехфазными, нагрузки по фазам отличаются на 20—25% и более, особенно в домах с электроплитами.
Как известно, несимметричные нагрузки вызывают смещение нейтрали и дополнительные отклонения напряжения в отдельных фазах сети в разных (положительном и отрицательном) направлениях. Имея в виду, что все средства регулирования напряжения, как правило, воздействуют на все три фазы электрической сети, для того, чтобы отклонения напряжения у электроприемников не выходили за допустимые пределы, приходится ориентироваться либо на соответственно повышенные нагрузки, либо на соответственно сниженные допустимые потери напряжения. Величина асимметрии выявляется многочисленными и длительными измерениями в различных пунктах сети, и после математической обработки в расчетные формулы вводятся поправочные коэффициенты, позволяющие затем вести расчеты потерь напряжения, как для сети с равномерной нагрузкой фаз.
При несимметричной нагрузке фазные отклонения напряжения состоят из двух составляющих — отклонений, соответствующих режиму равномерно нагруженной сети (Vcим), и отклонений, определяемых несимметричными нагрузками. Последние имеют различные величины для разных фаз (Vнс.а; Vнс.в; Vнс.с). Общие отклонения напряжения в каждой фазе с учетом обеих слагающих могут быть определены из следующих выражений [Л. 47]:

Прямая, обратная и нулевая последовательности — величины, применяемые при расчетах несимметричной трехфазной системы методом симметричных составляющих (см., например, Ф. Е. Евдокимов «Теоретические основы электротехники», Изд-во «Высшая школа», 1968 г.).

Согласно ГОСТ 13109—67 в трехфазной распределительной сети с однофазными осветительными и бытовыми электроприемниками напряжения обратной и нулевой последовательностей (с учетом других факторов) не должны превышать значений, при которых значения отклонений напряжения не выходят за допустимые пределы (см. § 6.1).
ГОСТ устанавливает также, что несинусоидальность формы кривой напряжения не должна вызывать появление высших гармонических составляющих; действующее значение от всех гармоник не должно превышать 5% от действующего значения напряжения основной частоты.
Установлено, что при нарушении требований ГОСТа (тестированные параметры систематически контролируются) электроснабжающие организации и потребители имеют право применять взаимные рекламации и санкции в установленном порядке.

Влияние отклонений и колебаний напряжения на работу электроприемников

Отклонения напряжения оказывают серьезное влияние на работу электроприемников и сети в целом. Так, в осветительных установках повышение напряжения приводит к резкому сокращению срока службы ламп накаливания, а снижение напряжения резко сокращает световой поток, а следовательно, и освещенность. В меньшей степени, но отклонения напряжения вредны и для газоразрядных источников света (об этом подробнее см. § 6.1 и гл. XV). Наряду с ухудшением светотехнических характеристик источников света повышенные отклонения напряжения вызывают изменение потребления мощности и электроэнергии. Так, например, по данным Латвийской энергосистемы увеличение напряжения на 1 % вызывает увеличение тока в сети в ночные часы и часы провалов нагрузки на 1,2—1,8%. Это в свою очередь вызывает повышение потерь и непроизводительный расход электроэнергии.
Повышение напряжения в ночные часы вызывает массовое перегорание ламп на лестничных клетках и в других общих помещениях жилых домов.
Электронагревательные приборы потребляют практически только активную мощность, пропорциональную квадрату напряжения. Повышение напряжения вызывает перегрев сопротивлении и повышение потерь в сети, а его понижение — удлинение времени нагрева. В условиях промышленности это ведет к снижению производительности оборудования, т. е. к народнохозяйственному ущербу. Как уже отмечалось раньше, у асинхронных электродвигателей при пониженном напряжении снижается вращающий момент, увеличивается скольжение, соответственно уменьшается скорость приводимых механизмов, а следовательно, и их производительность. Вследствие возрастания тока (при постоянном моменте нагрузки) увеличиваются потери, нагрев двигателя и происходит более быстрый износ изоляции. Соответственно повышение напряжения вызывает возрастание намагничивающего тока, уменьшение коэффициента мощности и в итоге ухудшение режима и снижение экономичности работы сети. Для приблизительной оценки можно принимать, что повышение напряжения на 1 % приводит в среднем к росту реактивной мощности, потребляемой трехфазными асинхронными двигателями на 3%. Весьма чувствительны к изменениям напряжения радиоприемники и телевизоры, особенно последние. Активная и реактивная мощности, потребляемые этими приборами, уменьшаются при пониженном напряжении на их зажимах и увеличиваются при повышенном напряжении.
Нестабильность напряжения и се влияние на качество работы телевизоров вызывают массовое применение индивидуальных стабилизаторов напряжения, количество которых у населения все более возрастает. Кроме того, применение индивидуальных стабилизаторов напряжения вызывает ухудшение режима работы городской сети, так как коэффициент мощности телевизоров при этом снижается с 0,95 до 0,88, что в свою очередь увеличивает потери энергии. Следовательно, применение индивидуальной стабилизации напряжения наносит прямой ущерб народному хозяйству. Очень чувствительны к изменениям напряжения косинусные конденсаторы, применяемые в промышленности для компенсации коэффициента мощности (см. гл. IX).
Как известно, реактивная мощность конденсаторов пропорциональна квадрату напряжения. Повышение напряжения сверх допустимого (10% по ГОСТу) вызывает возрастание тока и перегрузку конденсаторов. При частых повышениях напряжения в ночные смены может произойти массовый их выход из строя.
Качество электросварки ухудшается при снижении напряжения. Для рационального ведения режима сварки отклонения напряжения не должны превышать ±5%, в исключительных случаях—10%. В лечебных учреждениях уровень напряжения имеет важнейшее значение для рентгеновских и некоторых других медицинских аппаратов.
В условиях промышленности ухудшение качества напряжения относительно легко оценивается экономически с учетом снижения производительности станков, механизмов и производительности труда рабочих.
Иное дело — оценка ущерба в сети, снабжающей энергией жилищно-коммунальных потребителей. Здесь наряду с прямым ущербом от перерасхода ламп в домоуправлениях, преждевременного выхода из строя электродвигателей лифтов, насосных станций и тепловых пунктов и т. д. имеется и косвенный ущерб, вызываемый ускоренным выходом из строя частей телевизоров и радиоприемников, выпуск которых приходится из-за этого увеличивать, а также затратой материальных и других ресурсов на производство индивидуальных стабилизаторов напряжения и т. д. Из вышеизложенного видно как важно поддерживать отклонения напряжения в сети в пределах нормы.
Если с учетом режима на центрах питания (ЦП) отклонения напряжения получаются у потребителей больше предельных предписанных ПУЭ и ГОСТом, то в сетях необходимо предусматривать специальные технические мероприятия по регулированию напряжения.

Определение отклонений напряжения

Рис. 6.11. Схема (а) и график изменения уровней и отклонений напряжения (б) в распределительной
сети:
Л-1 и Л-2— линии среднего и низкого напряжения; К — контрольная точка сети. Сплошными линиями показано изменение напряжения при максимальной нагрузке, пунктирными — при минимальной

В течение суток нагрузки в распределительной сети изменяются, что, естественно, приводит и к изменениям потерь напряжения. Поэтому важно оценить связь между потерями и отклонениями от номинального напряжения для различных режимов, обычно для режимов наибольших и наименьших нагрузок.
Рассмотрим простейшую распределительную сеть с одной трансформацией 10/0,4 кВ, представленную на рис. 6.11.
Пусть в центре питания (точка А) поддерживается неизменно напряжение, равное 1,05 Uном.

Зная величины отклонений напряжения, легко найти величины напряжений (см. график рис. 6.11, б) в относительных и абсолютных единицах для режимов наибольших и наименьших нагрузок, добавив к величине Uном соответствующие отклонения напряжения (со своим знаком).

Как указано в табл. 6.1, для каждого электроприемника допускаются определенные отклонения напряжения, например для асинхронных электродвигателей V=±5%. Это значит, что предельно допустимые напряжения на зажимах электродвигателя при номинальном напряжении 380 в составляют

Указанные предельные значения напряжений принято называть желаемыми напряжениями, а все промежуточные значения, заключенные между ними — зоной желаемых напряжений.
Метод оценки отклонении напряжения, при котором определяются отклонения напряжений при наибольших и наименьших нагрузках для ближайшего и наиболее удаленного приемников энергии, носит название метода оценки по предельным отклонениям.
Такой метод широко применяется для расчетов промышленных сетей. Однако он имеет существенные недостатки, снижающие объективность оценок.
Рассматривая режимы лишь для крайних электроприемников, не учитывают отклонения напряжения у всех промежуточных приемников. Между тем иногда бывает целесообразно увеличить отклонения напряжения у одного-двух крайних электроприемников сверх нормы для улучшения режима напряжения у основной массы приемников, присоединенных к данной линии. Кроме того, метод оценки по предельным отклонениям не учитывает длительности существования того или иного режима. В результате такая оценка может привести к неоправданным капитальным затратам на сооружение сети.
Более объективным методом оценки качества напряжения является метод оценки по так называемым интегральным критериям напряжения.
Пользуясь этими методами, можно определить вероятное время работы сети с различными отклонениями напряжения вместо определения допустимых пределов. Детальное описание вероятностных и статистических методов количественной оценки качества напряжения выходят за пределы данной книги. Более подробно с этим вопросом можно ознакомиться в [Л. 47].

Способы и средства регулирования напряжения

Для обеспечения некоторых заранее заданных значений отклонений напряжений у электроприемников применяются следующие способы:

1. Регулирование напряжения на шинах центра питания;
2. Изменение величины потери напряжения в элементах сети;
3. Изменение величины передаваемой реактивной мощности.
4. Изменение коэффициента трансформации трансформаторов.
5. Регулирование напряжения на центре питания (ЦП) приводит к изменениям напряжения во всей присоединенной к ЦП сети и называется централизованным, остальные способы регулирования изменяют напряжение на определенном участке и называются местными способами регулирования напряжения. В качестве ЦП городских сетей могут рассматриваться шины генераторного напряжения ТЭЦ или шины низшего напряжения районных подстанций или подстанций глубокого ввода.

Отсюда вытекают и способы регулирования напряжения. На генераторном напряжении оно производится автоматически изменением тока возбуждения генераторов. Отклонения от номинального напряжения допускаются в пределах ±5%. На стороне низшего напряжения районных подстанций регулирование осуществляется при помощи трансформаторов с регулированием под нагрузкой (РПН), линейных регуляторов (ЛР) и синхронных компенсаторов (СК). При различных требованиях, предъявляемых потребителями, устройства для регулирования могут применяться совместно. Возможные варианты регулирования напряжения на ЦП показаны на рис. 6.12. Такие системы носят название централизованно-группового регулирования напряжения.

Рис. 6.12. Принципиальные схемы централизованного регулирования напряжения на ЦП:
ТРПН — трансформатор с устройством регулирования под нагрузкой; СК — синхронный компенсатор; ЛР — линейный регулятор (регулируемый вольтодобавочный трансформатор или автотрансформатор)

На шинах ЦП, как правило, осуществляется встречное регулирование, т. е. такое регулирование, при котором в часы наибольших нагрузок, когда потери напряжения в сети тоже наибольшие, напряжение повышается, а в часы минимальных нагрузок — понижается.
Трансформаторы с РПН позволяют осуществить довольно большой диапазон регулирования до ±10-12%, а в некоторых случаях (трансформаторы типа ТДН с высшим напряжением 10 кВ) до 16% при 9 ступенях регулирования. Существуют конструкции для плавного регулирования под нагрузкой, но они пока дороги и применяются в исключительных случаях, при особенно повышенных требованиях.

1. Изменение потери напряжения в элементах сети может осуществляться изменением сопротивлений цепи например, изменением сечений проводов и кабелей, отключением или включением числа параллельно включенных линий и трансформаторов.

Выбор сечений проводов, как известно, производится из условий нагрева, экономической плотности тока и по допустимой потере напряжения, а также по условиям механической прочности.
Однако расчет сети, особенно высокого напряжения по допустимой потере напряжения, не всегда обеспечивает нормируемые отклонения напряжения у электроприемников. Поэтому в ПУЭ (1—2-42, -43, -44, -68, -69, -70) нормируются не потери, а отклонения напряжения.
Реактивное сопротивление сети можно изменять при последовательном включении конденсаторов (продольная емкостная компенсация).
Продольной емкостной компенсацией называется способ регулирования напряжения, при котором последовательно в рассечку каждой фазы линии включаются статические конденсаторы для получения надбавок напряжения.
Известно, что суммарное реактивное сопротивление электрической цепи определяется разностью между индуктивным и емкостным сопротивлениями

Изменяя величину емкости включаемых конденсаторов, а следовательно, и величину хС, можно получить различные величины потери напряжения в линии, что равнозначно соответствующей надбавке напряжения на зажимах электроприемников. Последовательное включение конденсаторов в сеть целесообразно при невысоких коэффициентах мощности в воздушных сетях, в которых потеря напряжения в основном определяется ее реактивной составляющей. Продольная компенсация особенно эффективна в сетях с резкими колебаниями нагрузки, так как ее действие совершенно автоматическое и зависит от величины протекающего тока.

Следует также учитывать, что продольная емкостная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания в сети и может быть причиной резонансных перенапряжений, что требует специальной проверки. На рис. 6.13 показана принципиальная схема установки продольной компенсации. Разрядник Р служит для защиты конденсаторов от перенапряжений, возникающих при протекании тока короткого замыкания, добавочное сопротивление R и катушка контактора КТ — для предохранения разрядника от оплавления при протекании значительного тока. Трансформатор TH предназначен для измерения напряжения и снятия остаточного заряда с конденсаторов после их отключения.
Один из приемов выбора батареи конденсаторов для продольной компенсации рассмотрим на примере.

Из примера следует, что для целей продольной компенсации нет необходимости устанавливать конденсаторы, рассчитанные на полное рабочее напряжение сети, однако они должны иметь надежную изоляцию от земли.

1. Изменение величины передаваемой реактивной мощности. Реактивная мощность может вырабатываться не только генераторами электростанций, но и синхронными компенсаторами и перевозбужденными синхронными электродвигателями, а также статическими конденсаторами, включаемыми в сеть параллельно (поперечная компенсация).

Мощность компенсационных устройств, которые должны быть установлены в сети, определяется балансом реактивной мощности в данном узле энергосистемы на основе технико-экономических расчетов.
Синхронные двигатели и батареи конденсаторов, являясь источниками реактивной мощности, могут оказать существенное влияние на режим напряжения в электрической сети. При этом автоматическое регулирование напряжения в сети синхронными двигателями может осуществляться плавно. В качестве источников реактивной мощности на крупных районных подстанциях часто применяются специальные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие в режиме холостого хода. Такие двигатели называются синхронными компенсаторами.

Наибольшее распространение в промышленности имеет серия электродвигателей СМ, изготовляемых на номинальное напряжение 380—660 в, мощностью 56—176 кВт, рассчитанных на нормальную работу при опережающем коэффициенте мощности, равном 0,8. Из крупных машин можно отметить серию МС-320-324, мощностью от 145 до 12 200 кВт, напряжением 3—6 кВ, шунтовый регулятор возбуждения которых позволяет плавно изменять напряжение от 85 до 100%.
Мощные синхронные компенсаторы (они выпускаются мощностью 5 и 15 мвар) устанавливаются, как правило, на районных подстанциях, а синхронные двигатели чаще применяются для различных приводов в промышленности.
Влияние синхронного компенсатора (без учета незначительных потерь активной мощности) на напряжение легко представить, написав формулы для потери напряжения до и после включения компенсатора

Из выражения для ∆U’ видно, что перевозбужденный синхронный компенсатор снижает потерю напряжения в сети (недовозбужденный будет ее повышать, так как перед Qск тогда надо поставить знак +, однако такой режим применяется редко ввиду его неэкономичности).
При использовании синхронных двигателей для регулирования напряжения следует учитывать необходимость снижения активной мощности при изменении коэффициента мощности машины.
Технические показатели (в относительных единицах), которые можно использовать при отсутствии заводских данных, приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3
Технические данные синхронного двигателя при изменяющейся величине его коэффициента мощности в опережающем режиме (перевозбуждение)

Расчетная мощность двигателя для данного режима определяется умножением величины, указанной в таблице, на величину номинальной мощности.

Рис. 6.14. Схема участка распределительной сети с батареей конденсаторов (а), схема замещения сети (б), векторные диаграммы работы сети при отключенной нагрузке (в) и с нагрузкой (г):
1, 2 — точки литания и подключения нагрузки; ВЛ — участок воздушной линии; Н — нагрузка; БК — батарея конденсаторов

Наличие относительно больших потерь энергии в синхронных двигателях затрудняет их применение в сетях с небольшими нагрузками. Как показывают расчеты, в этом случае более целесообразны батареи статических конденсаторов. Принципиально влияние конденсаторов поперечной компенсации на уровни напряжения в сети аналогично влиянию перевозбужденных синхронных двигателей. Более подробно о конденсаторах сказано в гл. IX, где они рассматриваются с точки зрения повышения коэффициента мощности. Здесь для наглядности приведем лишь схему включения и векторную диаграмму, показывающие влияние конденсаторов на уменьшение потери напряжения в сети (рис. 6.14). Из диаграммы видно, что при отключенной нагрузке напряжение в конце линии может оказаться выше, чем в начале.
Технические характеристики наиболее распространенных бумажно-масляных конденсаторов для поперечной компенсации марки КМ и для продольной компенсации — КПМ приведены в табл. 6.4.
Существует ряд схем автоматизации компенсационных батарей. Такие устройства выпускаются промышленностью в комплекте с конденсаторами.

Технические характеристики конденсаторов

1. Изменение коэффициентов трансформации трансформаторов. Выпускаемые в настоящее время силовые трансформаторы напряжением до 35 кВ для установки в распределительных сетях снабжены переключателями ПБВ 1 для переключения регулировочных ответвлений в первичной обмотке. Таких ответвлений обычно 4, кроме основного, что позволяет получить пять коэффициентов трансформации или следующие надбавки напряжения:

ответвлению +5% соответствует надбавка 0%
» +2,5%
» +2,5%
» 0% (номинальные)
» 5%
» -2,5% » » +7,5%
» —5% » » +10%
Перестановка ответвлений — наиболее дешевый способ регулирования, но он требует отключения трансформатора от сети, а это вызывает перерыв, хотя и кратковременный, в питании потребителей, поэтому он применяется только для сезонного регулирования напряжения, т. е. 1—2 раза в год перед летним и зимним сезонами.
Для выбора наивыгоднейшего коэффициента трансформации существует несколько расчетных и графических методов.
Рассмотрим здесь лишь один наиболее простои и наглядный. Порядок расчета следующий:

1. По ПУЭ принимают допустимые отклонения напряжения для данного потребителя (или группы потребителей).
2. Приводят все сопротивления рассматриваемого участка цепи к одному (чаще к высокому) напряжению (см. гл. XII).
3. Зная напряжения в начале сети высшего напряжения, вычитают из него суммарную приведенную потерю напряжения до потребителя для требуемых режимов нагрузки.

ПБВ — переключатель без возбуждения.

4. Пользуясь упрощенной формулой, определяют желаемый коэффициент трансформации Кх


Рис. 6.15. Принципиальная схема переключателя РНТ.

1. — подвижные контакты; 2 — токоограничивающее сопротивление (дроссель); 3 — регулировочные ответвления

В электрических сетях для централизованного и местного регулирований применяются силовые трансформаторы, снабженные устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Их преимущество заключается в том, что регулирование осуществляется без отключения трансформатора от сети. Существует большое количество схем с автоматическим и без автоматического управления. Принципиальная схема такого устройства дана на рис. 6.15. Переключения могут осуществляться вручную, дистанционно и автоматически. Переход с одной ступени на другую осуществляется при дистанционном управлении при помощи электропривода без разрыва рабочего тока в цепи обмотки высшего напряжения. Это достигается закорачиванием на короткое время регулируемой секции токоограиичивающим сопротивлением (дросселем). Автоматические регуляторы весьма удобны и допускают до 30 переключений в сутки. Регуляторы отстраиваются таким образом, чтобы они имели так называемую зону нечувствительности, которая должна бьтть больше ступени регулирования на 20—40%. При этом они не должны реагировать на кратковременные изменения напряжения, вызванные удаленными короткими замыканиями, пусками крупных электродвигателей и т. д.
Схему подстанции целесообразно строить так, чтобы на один регулируемый трансформатор по возможности присоединялись потребители с однородными графиками нагрузок и примерно одинаковыми требованиями к качеству напряжения.

Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников

Отклонения ПКЭ от нормируемых значений ухудшают условия эксплуатации электрооборудования энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии, могут привести к значительным убыткам как в промышленности, так и в бытовом секторе, обуславливают, как уже отмечалось, технологический и электромагнитный ущербы.

От электрических сетей систем электроснабжения общего назначения питаются ЭП различного назначения, рассмотрим промышленные и бытовые ЭП.

Наиболее характерными типами ЭП, широко применяющимися на предприятиях различных отраслей промышленности, являются электродвигатели и установки электрического освещения . Значительное распространение находят электротермические установки, а также вентильные преобразователи , служащие для преобразования переменного тока в постоянный. Постоянный ток на промышленных предприятиях применяется для питания двигателей постоянного тока, для электролиза, в гальванических процессах, при некоторых видах сварки и т. д.

Электродвигатели применяются в приводах различных производственных механизмов. В установках, не требующих регулирования частоты вращения в процессе работы, применяются электроприводы переменного тока: асинхронные и синхронные электродвигатели .

Установлена наиболее экономичная область применения асинхронных и синхронных электродвигателей в зависимости от напряжения. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономичнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт — синхронные, при напряжении до 6 кВ и мощности до 300 кВт — асинхронные двигатели, а выше 300 кВт — синхронные, при напряжении 10 кВ и мощности до 400 кВт — асинхронные двигатели, выше 400 кВт – синхронные.

Большое распространение асинхронных двигателей обусловлено их простотой в исполнении и эксплуатации и относительно небольшой стоимостью.

Синхронные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с асинхронными двигателями: обычно используются в качестве источников реактивной мощности, их вращающий момент меньше зависит от напряжения на зажимах, во многих случаях они имеют более высокий КПД. В то же время синхронные двигатели являются более дорогими и сложными в изготовлении и эксплуатации.

Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения, для нужд городского освещения и т.д.

Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 для дуговой сварки и 0,7 для контактной. Сварочные трансформаторы и аппараты малой мощности подключаются к сети 380/220 В, более мощные – к сети 6 – 10 кВ .

Вентильные преобразователи в силу специфики их регулирования являются потребителями реактивной мощности (коэффициент мощности вентильных преобразователей прокатных станов колеблется от 0,3 до 0,8), что вызывает значительные отклонения напряжения в питающей сети; коэффициент несинусоидальности при работе тиристорных преобразователей прокатных станов может достигать значения более 30 % на стороне 10 кВ питающего их напряжения, на симметрию напряжения в силу симметричности их нагрузок вентильные преобразователи не влияют .

Электросварочные установки могут являться причиной нарушения нормальных условий работы для других ЭП. В частности, сварочные агрегаты, мощность которых в настоящее время достигает 1500 кВт в единице, вызывают значительно большие колебания напряжения в электрических сетях, чем, например, пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме того, эти колебания напряжения происходят длительно и с широким диапазоном частот, в том числе и в самом неприятном для установок электрического освещения диапазоне (порядка 10 Гц).

Электротермические установки в зависимости от метода нагрева делятся на группы: дуговые печи, печи сопротивления прямого и косвенного действия, электронные плавильные печи, вакуумные, шлакового переплава, индукционные печи. Данная группа ЭП также оказывает неблагоприятное влияние на питающую сеть, например, дуговые печи, которые могут иметь мощность до 10 МВт, в настоящее время сооружаются как однофазные. Это приводит к нарушению симметрии токов и напряжений (последнее происходит в связи с падениями напряжения на сопротивлениях сети от токов разных последовательностей). Кроме того, дуговые печи, как и вентильные установки, являются нелинейными ЭП с малой инерционностью. Поэтому они приводят к несинусоидальности токов, а, следовательно, и напряжений.

Современная электрическая нагрузка квартиры (коттеджа) характеризуется широким спектром бытовых ЭП, которые по их назначению и влиянию на электрическую сеть можно разделить на следующие группы: пассивные потребители активной мощности (лампы накаливания, нагревательные элементы утюгов, плит, обогревателей); ЭП с асинхронными двигателями , работающими в трехфазном режиме (привод лифтов, насосов — в системе водоснабжения и отопления и др.); ЭП с асинхронными двигателями , работающими в однофазном режиме (привод компрессоров холодильников, стиральных машин и др.); ЭП с коллекторными двигателями (привод пылесосов, электродрелей и др.); сварочные агрегаты переменного и постоянного тока (для ремонтных работ в мастерской и др.); выпрямительные устройства (для зарядки аккумуляторов и др.); радиоэлектронная аппаратура (телевизоры, компьютерная техника и др.); высокочастотные установки (печи СВЧ и др.); лампы люминесцентного освещения.

Воздействие каждого отдельно взятого бытового ЭП незначительно, совокупность же ЭП, подключаемых к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, оказывает существенное влияние на питающую сеть.

4.2 Влияние отклонений напряжения

Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу асинхронных двигателей (АД), являющихся наиболее распространенными приемниками электроэнергии в промышленности.

Рис.4.1. Механическая характеристика двигателя при номинальном (М1) и пониженном (М2) напряжениях.

При изменении напряжения изменяется механическая характеристика АД – зависимость его вращающего момента М от скольжения s или частоты вращения (рис.4.1). С достаточной точностью можно считать, что вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения на его выводах. При снижении напряжения уменьшается вращающий момент и частота вращения ротора двигателя, так как увеличивается его скольжение. Снижение частоты вращения зависит также от закона изменения момента сопротивления Mc (на рис 4.1 Mc принят постоянным) и от загрузки двигателя. Зависимость частоты вращения ротора двигателя от напряжения можно выразить:

где – синхронная частота вращения;
– коэффициент загрузки двигателя;
,– номинальные значения напряжения и скольжения соответственно.

Из формулы (4.1) видно, что при малых загрузках двигателя частота вращения ротора будет больше номинальной частоты вращения (при номинальной загрузке двигателя). В таких случаях понижения напряжения не приводят к уменьшению производительности технологического оборудования, так как снижения частоты вращения двигателей ниже номинальной не происходит.

Для двигателей, работающих с полной нагрузкой, понижение напряжения приводит к уменьшению частоты вращения. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на выводах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже номинального. При значительном снижении напряжения на выводах двигателей, работающих с полной нагрузкой, момент сопротивления механизма может превысить вращающий момент, что приводит к “опрокидыванию” двигателя, т.е. к его остановке. Во избежание повреждений двигатель необходимо отключить от сети.

Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент.

Практический интерес представляет зависимость потребляемой двигателем активной и реактивной мощности от напряжения на его выводах.

В случае снижения напряжения на зажимах двигателя реактивная мощность намагничивания уменьшается (на 2 – 3 % при снижении напряжения на 1 %), при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции.

Если двигатель длительно работает при пониженном напряжении, то из-за ускоренного износа изоляции срок службы двигателя уменьшается. Приближенно срок службы изоляции Т можно определить по формуле:

где – срок службы изоляции двигателя при номинальном напряжении и номинальной нагрузке;

R – коэффициент, зависящий от значения и знака отклонения напряжения, а также от коэффициента загрузки двигателя и равный:

Поэтому с точки зрения нагрева двигателя более опасны в рассматриваемых пределах отрицательные отклонения напряжения.

Снижение напряжения приводит также к заметному росту реактивной мощности, теряемой в реактивных сопротивлениях рассеяния линий, трансформаторов и АД.

Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой ими реактивной мощности. При этом удельное потребление реактивной мощности растет с уменьшением коэффициента загрузки двигателя. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя), что в свою очередь приводит к увеличению потерь активной мощности в элементах электрической сети.

Лампы накаливания характеризуются номинальными параметрами: потребляемой мощностью , световым потоком , световой отдачей (равной отношению излучаемого лампой светового потока к ее мощности) и средним номинальным сроком службы .Эти показатели в значительной мере зависят от напряжения на выводах ламп накаливания. При отклонениях напряжения на 10% эти характеристики приближенно можно описать следующими эмпирическими формулами:

Рис.4.2. Зависимости характеристик ламп накаливания от напряжения: 1 – потребляемая мощность, 2 – световой поток, 3 – световая отдача, 4 – срок службы.

Из кривых на рис.4.2. видно, что со снижением напряжения наиболее заметно падает световой поток. При повышении напряжения сверх номинального увеличивается световой поток F, мощность лампы P и световая отдача h , но резко снижается срок службы ламп Т и в результате они быстро перегорают. При этом имеет место и перерасход электроэнергии.

Изменения напряжения приводят к соответствующим изменениям светового потока и освещенности, что, в конечном итоге, оказывает влияние на производительность труда и утомляемость человека.

Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. При повышении напряжения потребляемая мощность и световой поток увеличиваются, а при снижении – уменьшаются, но не в такой степени как у ламп накаливания. При пониженном напряжении условия зажигания люминесцентных ламп ухудшаются, поэтому срок их службы, определяемый распылением оксидного покрытия электродов, сокращается как при отрицательных, так и при положительных отклонениях напряжения.

При отклонениях напряжения на 10% срок службы люминесцентных ламп в среднем снижается на 20 – 25%. Существенным недостатком люминесцентных ламп является потребление ими реактивной мощности, которая растет с увеличением подводимого к ним напряжения.

Отклонения напряжения отрицательно влияют на качество работы и срок службы бытовой электронной техники (радиоприемники, телевизоры, телефонно-телеграфная связь, компьютерная техника).

Вентильные преобразователи обычно имеют систему автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регулирования автоматически увеличивается, а при понижении напряжения уменьшается. Повышение напряжения на 1 % приводит к увеличению потребления реактивной мощности преобразователем примерно на 1-1,4%, что приводит к ухудшению коэффициента мощности. В то же время другие показатели вентильных преобразователей с повышением напряжения улучшаются, и поэтому выгодно повышать напряжение на их выводах в пределах допустимых значений.

Электрические печи чувствительны к отклонениям напряжения. Понижение напряжения электродуговых печей, например, на 7 % приводит к удлинению процесса плавки стали в 1,5 раза. Повышение напряжения выше 5% приводит к перерасходу электроэнергии.

Отклонения напряжения отрицательно влияют на работу электросварочных машин : например, для машин точечной сварки при изменении напряжения на 15% получается 100 % — ный брак продукции.

4.3 Влияние колебаний напряжения

К числу ЭП, чрезвычайно чувствительных к колебаниям напряжения относятся осветительные приборы, особенно лампы накаливания и электронная техника.

Стандартом определяется воздействие колебаний напряжения на осветительные установки, влияющие на зрение человека. Мигание источников освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Это ведет к снижению производительности труда, а в ряде случаев и к травматизму.

Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывают мигания с частотой 3 — 10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны — менее 0,5 % .

При одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп. Колебания напряжения более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп. Зажигание их в зависимости от типа ламп происходит через несколько секунд и даже минут.

Колебания напряжения нарушают нормальную работу и уменьшают срок службы электронной аппаратуры: радиоприемников, телевизоров, телефонно-телеграфной связи, компьютерной техники, рентгеновских установок, радиостанций, телевизионных станций и т.д.

При значительных колебаниях напряжения (более 15%) могут быть нарушены условия нормальной работы электродвигателей , возможно отпадание контактов магнитных пускателей с соответствующим отключением работающих двигателей.

Колебания напряжения с размахом 10 – 15 % могут привести к выходу из строя батарей конденсаторов , а также вентильных преобразователей.

Влияние колебаний напряжения на отдельные приемники электроэнергии изучены еще недостаточно. Это затрудняет технико — экономический анализ при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения с резко переменными нагрузками.

4.4 Влияние несимметрии напряжений

Несимметрия напряжений, как уже отмечалось, вызывается чаще всего наличием несимметричной нагрузки. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у ЭП перегруженной фазы могут превысить нормально допустимые значения, в то время как отклонения напряжения у ЭП других фаз будут находиться в нормируемых пределах. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, снижается надежность работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом .

Качественно отличается действие несимметричного режима по сравнению с симметричным для таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели . Особое значение для них имеет напряжение обратной последовательности. Сопротивление обратной последовательности электродвигателей примерно равно сопротивлению заторможенного двигателя и, следовательно, в 5 – 8 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности. Токи обратной последовательности накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора (особенно массивных частей ротора), что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя (уменьшению к.п.д. двигателя). Так, срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя, работающего при несимметрии напряжения 4%, сокращается в 2 раза. При несимметрии напряжения 5% располагаемая мощность двигателя уменьшается на 5 – 10% .

При несимметрии напряжений сети в синхронных машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, а в особенности при недостаточной прочности и наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30%, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают.

Правила технической эксплуатации электрических сетей и станций в РФ указывают, что “длительная работа генераторов и синхронных компенсаторов при неравных токах фаз допускается, если разница токов не превышает 10% номинального тока статора для турбогенераторов и 20% для гидрогенераторов. При этом токи в фазах не должны превышать номинальных значений. Если эти условия не выполняются, то необходимо принимать специальные меры по уменьшению несимметрии”.

В случае наличия токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь активной мощности и может быть недопустимо с точки зрения нагрева. Токи нулевой последовательности протекают постоянно через заземлители. При этом дополнительно высушивается и увеличивается сопротивление заземляющих устройств. Это может быть недопустимым с точки зрения работы релейной защиты,а также из-за усиления воздействия на низкочастотные установки связи и устройства железнодорожной блокировки .

Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей: значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения, ухудшаются условия работы системы импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование установленной конденсаторной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения на конденсаторной установке) .

Несимметрия напряжений значительно влияет и на однофазные ЭП, если фазные напряжения неравны, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением. Несимметрия напряжений усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.

4.5 Влияние несинусоидальности напряжения

ЭП с нелинейными вольт-амперными характеристиками потребляют из сети несинусоидальные токи при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, создают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов и, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажениям формы кривой напряжения в узлах электрической сети. В связи с этим ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой часто называют источниками высших гармоник.

Наиболее серьезные нарушения КЭ в электрической сети имеют место при работе мощных управляемых вентильных преобразователей . При этом порядок высших гармонических составляющих тока и напряжения в сети определяется по формуле

где m – число фаз выпрямления;

k – последовательный ряд натуральных чисел (0,1,2 …).

В зависимости от схемы выпрямления вентильные преобразователи генерируют в сеть следующие гармоники тока: при 6-фазной схеме – до 19-го порядка; при 12-фазной схеме – до 25-го порядка включительно .

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми сталеплавильными и руднотермическими печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения установок дуговой и контактной сварки определяется в основном 5, 7, 11, 13-й гармониками.

Токи 3-й и 5-й гармоник газоразрядных ламп составляют 10 и 3 % от тока 1-й гармоники. Эти токи совпадают по фазе в соответствующих линейных проводах сети и, складываясь в нулевом проводе сети 380/220 В, обусловливают ток в нем, почти равный току в фазном проводе. Остальными гармониками для газоразрядных ламп можно пренебречь .

Исследования кривой тока намагничивания трансформаторов, включенных в сеть синусоидального напряжения, показали, что при трехстержневом сердечнике и соединениях обмоток U/U; и /U; в электрической сети имеются все нечетные гармоники, в том числе гармоники, кратные трем. Гармоники, кратные трем, обусловлены несимметрией намагничивающих токов по фазам:

Действующее значение намагничивающего тока трансформатора:

Токи намагничивания образуют системы токов прямой и обратной последовательности, которые по абсолютной величине одинаковы для гармоник, кратных трем. Для других нечетных гармоник токи обратной последовательности составляют около 0,25 токов прямой последовательности .

Если на вводы трансформаторов подается несинусоидальное напряжение возникают дополнительные составляющие высших гармоник тока. Трансформаторы ГПП дают 5-ю гармонику небольшой величины .

В целом несинусоидальные режимы обладают теми же недостатками, что и несимметричные.

Высшие гармоники тока и напряжения вызывают дополнительные потери активной мощности во всех элементах системы электроснабжения: в линиях электропередачи, трансформаторах, электрических машинах, статических конденсаторах, так как сопротивления этих элементов зависят от частоты.

Так, например, емкостное сопротивление конденсаторов, устанавливаемых в целях компенсации реактивной мощности, с повышением частоты подводимого напряжения уменьшается. Поэтому, если в напряжении питающей сети есть высшие гармоники, то сопротивление конденсаторов на этих гармониках оказывается значительно ниже, чем на частоте 50 Гц. Из-за этого в конденсаторах, предназначенных для компенсации реактивной мощности, даже небольшие напряжения высших гармоник могут вызвать значительные токи гармоник. На предприятиях с большим удельным весом нелинейных нагрузок батареи конденсаторов работают плохо. Они или отключаются защитой от перегрузки по току или за короткий срок выходят из строя из-за вспучивания банок (или ускоренного старения изоляции). Известны случаи, когда на предприятиях с развитой кабельной сетью напряжением 6 –10 кВ батареи конденсаторов оказываются в режиме резонанса токов (или близких к этому режиму) на частоте какой – либо из гармоник, что приводит к опасной перегрузке их по току.

Высшие гармоники вызывают:

паразитные поля и электромагнитные моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины. В результате необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием полей высших гармоник, а также повышенного нагрева токоведущих частей наблюдается:

ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, кабелей;
ухудшение коэффициента мощности ЭП;

ухудшение или нарушение работы устройств автоматики, телемеханики, компьютерной техники и других устройств с элементами электроники ;

погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии , которые приводят к неполному учету потребляемой электроэнергии;

нарушение работы самих вентильных преобразователей при высоком уровне высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник неблагоприятно сказывается на работе не только электрооборудования потребителей, но и электронных устройствах в энергосистемах.

Для некоторых установок (система импульсно-фазового управления вентильными преобразователями, комплектные устройства автоматики и др.) допустимые значения отдельных гармоник тока (напряжения) указываются изготовителем в паспорте изделия.

Кривая напряжения, подводимого к ЭП, не должна содержать высших гармоник в установившемся режиме работы электросети. Следует подчеркнуть, что в условиях работы ЭП, несинусоидальность напряжения проявляется совместно с действиями других влияющих факторов и поэтому необходимо рассматривать всю совокупность факторов совместно.

4.6 Влияние отклонения частоты

Жесткие требования стандарта к отклонениям частоты питающего напряжения обусловлены значительным влиянием частоты на режимы работы электрооборудования, ход технологических процессов производства и, как следствие, технико-экономические показатели работы промышленных предприятий.

Электромагнитная составляющая ущерба обусловлена увеличением потерь активной мощности в электрических сетях и ростом потребления активной и реактивной мощностей. Известно, что снижение частоты на 1 % увеличивает потери в электрических сетях на 2 % .

Технологическая составляющая ущерба вызвана в основном недовыпуском промышленными предприятиями своей продукции и стоимостью дополнительного времени работы предприятия для выполнения задания. Согласно экспертным оценкам значение технологического ущерба на порядок выше электромагнитного .

Анализ работы предприятий с непрерывным циклом производства показал, что большинство основных технологических линий оборудовано механизмами с постоянным и вентиляторным моментами сопротивлений, а их приводами служат асинхронные двигатели . Частота вращения роторов двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зависит от частоты вращения двигателя.

Степень влияния частоты на производительность ряда механизмов может быть выражена через потребляемую ими активную мощность:

где a — коэффициент пропорциональности, зависящий от типа механизма;

f — частота сети;

n – показатель степени.

В зависимости от значений показателя степени n, ЭП можно разбить на следующие группы:

механизмы с постоянным моментом сопротивления — поршневые насосы, компрессоры, металлорежущие станки и др.; для них n=1;

механизмы с вентиляторным моментом сопротивления — центробежные насосы, вентиляторы, дымососы и др.; для нихn=3; на ТЭС, КЭС, АЭС обычно это двигатели насосов питательной воды, циркуляционных насосов, дымовых вентилятоов, маслонасосов и т. д.

механизмы, для которых n=3,5-4 — центробежные насосы, работающие с большим статическим напором (противодавлением), например, питательные насосы котельных .

ЭП 2-й и 3-й групп, наиболее подверженые влиянию частоты, имеют регулировочные возможности, благодаря которым потребляемая ими мощность из сети остается практически неизменной.

Наиболее чувствительны к понижению частоты двигатели собственных нужд электростанций. Снижение частоты приводит к уменьшению их производительности, что сопровождается снижением располагаемой мощности генераторов и дальнейшим дефицитом активной мощности и снижением частоты (имеет место лавина частоты).

Такие ЭП, как лампы накаливания, печи сопротивления, дуговые электрические печи на изменение частоты практически не реагируют.

Отклонения частоты отрицательно влияют на работу электронной техники : отклонение частоты более +0,1 Гц приводит к яркостным и геометрическим фоновым искажениям телевизионного изображения, изменения частоты от 49,9 до 49,5 Гц влечет за собой почти четырехкратное увеличение допустимого размаха телевизионного сигнала к фоновой помехе. Изменение частоты до 49,5 Гц требует существенного ужесточения требований к отношению сигнал/фоновая помеха во всех звеньях телевизионного тракта – от оборудования аппаратно-студийного комплекса до телевизионного приемника, выполнение которых сопряжено со значительными материальными затратами .

Кроме этого, пониженная частота в электрической сети влияет и на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы, реакторы со стальным магнитопроводом), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных сердечников.

Для предотвращения общесистемных аварий, вызванных снижением частоты предусматриваются специальные устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР), отключающие часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности, например после включения резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (ЧАПВ) включают отключенных потребителей и нормальная работа системы восстанавливается.

Поддержание нормальной частоты, соответствующей требованиям стандарта является технической, а не научной задачей, основной путь решения которой – ввод генерирующих мощностей с целью создания резервов мощности в сетях энергоснабжающих организаций.

4.7 Влияние электромагнитных помех

В системах электроснабжения общего назначения нашли широкое применение электронные и микроэлектронные системы управления, микропроцессоры и ЭВМ, что привело к снижению уровня помехоустойчивости систем управления ЭП и резкому возрастанию количества их отказов. Основной причиной отказов является воздействие электромагнитных переходных помех, возникающих при электромагнитных переходных процессах как в сетях энергосистем, так и в городских, и промышленных электрических сетях. Длительность протекания переходных процессов составляет от нескольких периодов тока промышленной частоты до нескольких секунд, а эффективная полоса частот помех может достигать десятков мегагерц.

Характеристикой электромагнитных переходных помех являются провалы и импульсы напряжения, кратковременные перенапряжения. Для этих ПКЭ стандарт не устанавливает допустимых численных значений, однако, рассматривает эти помехи в рамках проблемы электромагнитной совместимости.

Электромагнитные переходные помехи, сопровождающиеся провалами напряжения, возникают, в основном, при однофазных коротких замыканиях воздушных линий вследствие перекрытия изоляции. Эти повреждения либо самоликвидируются, либо устраняются при кратковременном отключении с последующим автоматическим повторным включением (АПВ). Кроме того, причиной возникновения провалов напряжения являются междуфазные замыкания, возникающие в результате атмосферных явлений, а также отключения питающих линий и конденсаторов. Количество провалов напряжения с глубиной до 20 % достигает в распределительных сетях 55 – 60 %. Свыше 60 % остановов механизмов приходится на провалы напряжения с глубиной более 20 %.

Причиной возникновения электромагнитных переходных помех в системах электроснабжения общего назначения могут быть перенапряжения, возникающие при однофазных замыканиях на землю, при коммутациях батарей конденсаторов и резонансных фильтров, при отключении ненагруженных кабельных линий и трансформаторов, при одновременной коммутации контактов выключателей и другой коммутационной аппаратуры, при неполнофазных режимах работы электрической сети вследствие различных причин, приводящих к феррорезонансным явлениям. Восприимчивость электронного оборудования и ЭВМ к перенапряжениям зависит как от АЧХ ЭП, так и от АЧХ электромагнитных помех.

Увеличение мощности энергосистем и количества воздушных линий, применяемых для повышения надежности электроснабжения промышленных предприятий, приводит к снижению надежности функционирования сложных электронных систем управления и возрастанию числа отказов помехочувствительных ЭП.

Как уже отмечалось, при значениях всех ПКЭ по напряжению, отличных от нормируемых, происходит ускоренное старение изоляции электрооборудования, в результате возрастает интенсивность потоков отказов с течением времени. Так, при несинусоидальности кривой напряжения сети даже при резонансной настройке дугогасящих аппаратов, через место замыкания на землю проходит ток высших гармоник, и может произойти прожигание кабеля в месте первого повреждения. В этом случае возможно возникновение, как показывает опыт эксплуатации, одновременно двух и более аварий из-за перенапряжений.

При низком КЭ имеет место взаимозависимость отказов элементов, например, когда отрицательное влияние нелинейных, нессимметричных и ударных нагрузок скомпенсировано с помощью соответствующих корректирующих устройств при отключении того или иного устройства. Так, выход из строя быстродействующего статического компенсатора вызывает появление несимметрии, колебаний и гармоник напряжения, которые ранее компенсировались, что, в свою очередь, чревато возникновением ложных срабатываний релейных защит, аварийным выходом из строя некоторых видов электрооборудования и другими аналогичными отрицательными последствиями. Сбои в каналах передачи информации по силовым цепям при наличии гармоник приводят к подаче неправильных команд на управление коммутационной аппаратурой . Таким образом, КЭ существенно влияет на надёжность электроснабжения, поскольку аварийность в сетях с низким КЭ выше, чем в случае, когда ПКЭ находятся в допустимых пределах.

Экономика и управление качеством энергии — Качество напряжения и работа основных электроприемников

Отклонения напряжения влияют на работу осветительных ламп и асинхронных двигателей, которые составляют значительную часть электроприемников промышленных предприятий. При отклонениях напряжения имеет место изменение главнейших характеристик ламп накаливания — их мощности, силы тока, световой отдачи, светового потока. Это может быть представлено в следующем виде [40]:

При понижении напряжения на 2,5—5,0% от номинального значения световой поток ламп накаливания уменьшается на 10—18%, и срок службы лампы несколько удлиняется. Понижение напряжения на 10% приводит к уменьшению потока более чем на 30% и к значительному уменьшению освещенности рабочих мест. Последнее вызывает снижение производительности труда и ухудшение качества продукции.
В работе [44] отмечается, что в осветительных установках машиностроительных предприятий при отклонениях напряжения в пределах ±10% величина ущерба может составлять от 10 до 30 руб/кВт-ч. Понижение качества напряжения может также сказываться на эффективности работы асинхронных двигателей. При понижении напряжения против номинального на 5—15% на зажимах ряда обследуемых асинхронных двигателей мощностью от 4,5 до 75 кВт при номинальном скольжении от1 до 2% и при кратности максимального вращающего момента по отношению к номинальному, равной двум, было установлено уменьшение частоты вращения двигателя от 0,2 до 1,6%.

Рис. 2. Зависимость потерь активной мощности в асинхронных электродвигателях от отклонений напряжения при различных коэффициентах загрузки т.

Как показывают исследования, при понижении напряжения асинхронных двигателей уменьшается к.п.д. и происходит интенсивное старение изоляции. Повышение напряжения, приводит к перегрузке обмотки статора и увеличению потребления мощности двигателя.
Следует обратить внимание на значительное изменение пускового и максимального моментов асинхронных двигателей при понижении качества напряжения. Так, при отклонениях напряжения на ±10% от номинального момент изменяется соответственно на ±21% и на — 19%. Отклонения напряжения на выводах асинхронного электродвигателя вызывают изменение активных потерь и потребляемой реактивной мощности.
Как видно из рис. 2, изменения активных потерь при отклонениях напряжения в пределах —5-10% Uном невелики (не более 0,03 ΔΡном), однако они оказываются того же порядка, что и потери в питающих сетях.
Для двигателей средней мощности изменение напряжения на 1 % влечет за собой изменение потребляемой реактивной мощности на 3% [35]. Отклонения напряжения оказывают существенное влияние на работу автоматизированного электропривода. Так, при снижении напряжения на одном машиностроительном предприятии до величины 0,95 Uном ущерб в механозаготовительном производстве составил 5,4 тыс. руб. в год при стоимости всех выпускаемых на рассматриваемом участке изделий 109 тыс. руб. в год, т. е. 5,6% [51].
Исследования Г Я. Вагина позволили установить абсолютную величину ущерба для металлорежущих станков (0,1— 6 руб/кВт-ч) при отклонениях напряжения ±10% [44]. Отклонения напряжения оказывают влияние и на высокотемпературные процессы, вызывая увеличение длительности плавки в печах, перерасход электроэнергии, а в печах сопротивления при этом снижается производительность и может иметь место брак продукции.
Понижение напряжения отражается на производительности печей графитации, приводит к ухудшению качества графитируемой продукции и удорожанию ее себестоимости. Интересно, что это влияние имеет место не в период плавного подъема
температуры в керне печи, а после того, как загруженная печь продукция достаточно нагрелась.
Как отмечает Г. М. Коваленко, поддержание оптимального уровня напряжения на высоковольтных выводах печных трансформаторов является важным резервом повышения производительности печей графитации, так как позволяет повышать выпуск продукции на тех же производственных площадях [53]
Отклонения напряжения от номинального отрицательно сказываются и на работе установок фотофильмпечати, сушильных гладильных машин. Так, на одном текстильно-галантерейно предприятии при снижении напряжения в среднем за год н 2,6% имел место ущерб около 14 000 руб. в год [45].
Для электротермических установок (печи сопротивления дуговые печи) машиностроительных предприятий ущерб при наличии отклонений напряжения в пределах ±10% может составлять 6—20 руб. кВт-ч (44]. В печах сопротивления, используемых для производства абразивных материалов, при понижении напряжения сети от 6,3 до 6,0 кВ мощность снижается от 2 до 4,5%. Это увеличивает рост тепловых потерь, снижает часовую производительность на 2,5% и увеличивает удельный расход электроэнергии на 2% [44].
Таблица 6

Удельный расход электроэнергии на стороне переменного тока, в % от оптимального

Удорожание алюминия-сырца, руб. т

Большое значение имеет поддержание необходимого уровня напряжения для электролизных установок, в частности при производстве алюминия, магния и каустической соды. Наличие длительных отклонений напряжения при этих процессах вызывает уменьшение оптимальной величины тока, а следовательно, повышение удельных расходов электроэнергии, снижение производительности электролизных ванн и удорожание выпускаемой продукции.
Обследование одного алюминиевого завода показало (табл. 6), что качество напряжения является важным экономическим фактором при производстве алюминия.
Работы [44, 75], проведенные Ф. Г Гусейновым (Азербайджанский НИИ энергетики, отделение), показали, что понижение напряжения до 95% от номинального значения приводит к снижению производительности электролизной установки на 4%. Кроме того, часто наблюдается ускоренный износ электродов. При отклонениях напряжения более 1,05 Uном может происходить перегрев ванн электролизных установок и ухудшение условий протекания технологического процесса.

Колебания напряжения вызываются в основном работой отдельных электроприемников и связаны с потреблением реактивной мощности. Они могут возникать при включении мощных асинхронных двигателей, электросварочных аппаратов, дуговых сталеплавильных печей вентильных преобразователей. Вентильные преобразователи обладают низким коэффициентом мощности и при резкопеременном характере нагрузки (прокатные станы) вызывают колебания напряжения до 20% на шинах 10 кВ и до 5% на шинах 110, 220 кВ.
Профессор А. А. Тайц считает, что при ионном или тиристорном приводе создаются наиболее неблагоприятные условия, так как в этом случае электродвигатели постоянного тока прокатных станов питаются через управляемый выпрямитель непосредственно от сети переменного тока. В связи с этим набросы мгновенно передаются в сеть переменного тока без демпфирования массами машинного преобразователя. Мощности дуговых печей постоянно увеличиваются и в настоящее время достигают 100—125 МВ-А в единице. Возрастают и колебания напряжения, вызываемые колебаниями мощности при включении таких потребителей, причем дуговые электропечи дают набросы нагрузок в 3—3,5 раза больше номинальной. Набросы реактивной мощности могут превышать величину 100 000 квар, а частота колебаний напряжения для различных прокатных станов характеризуется величиной 100—1000 колебаний в час.
Колебания напряжения оказывают влияние на работу осветительных ламп, которые в этом случае меняют свои главнейшие характеристики, вызывают повышенную утомляемость работающих, снижают производительность труда. При наличии колебаний напряжений в электросетях промышленных предприятий с установками высокочастотного нагрева, индукционными печами, сварочными машинами может иметь место ущерб в виде брака продукции, повреждений оборудования, останова электрооборудования, ухудшения качества сварки (особенно точечной). Установлено, что в ряде случаев колебания напряжения на машиностроительных предприятиях, имеющих сварочные машины, могут достигать 20—25% [44].
Колебания напряжения, возникающие на крупных металлургических заводах, оказывают влияние не только на работу своих электроприемников, но и на устойчивость энергосистемы и экономичность отдельных электростанций. Большое значение имеет постоянство напряжения для бытовых потребителей (телевизоры, радиоприемники). Из-за значительных колебаний напряжения в телевизорах приходится устанавливать стабилизаторы напряжения. Лишь в 1971 —1975 гг. их было изготовлено около 20 млн штук на общую мощность 30 млн. кΒ·А. Следует иметь в виду, что на изготовление стабилизаторов расходуются дефицитные материалы и сами они являются источниками потерь электроэнергии [87].
Изучение причин возникновения колебаний напряжения и последствий их влияния на работу электроприемников промышленных предприятий, городских сетей и оборудования энергосистем в настоящее время Проводится в больших масштабах, однако в меньшей степени, чем исследования других показателей качества электроэнергии. Особое внимание при исследовании колебаний напряжения должно быть уделено изучению характеристик случайных процессов, связывающих частоту и амплитуду колебаний, а также разработке методики технико-экономической оценки ущерба, возникающего у потребителей и в энергосистеме при колебаниях модуля и фазы напряжения.

Несимметрия напряжения имеет место при неравномерном распределении несимметричной нагрузки потребителей по фазам. Основными электроприемниками, которые могут создавать несимметрию напряжения, являются дуговые и индукционные печи, сварочные агрегаты, машины контактного нагрева, осветительные установки. Исследования последних лет показывают, что значительная несимметрия напряжения наблюдается на предприятиях, имеющих индукционные и дуговые печи, электротермические установки и вентильные преобразователи. Так, на одном электродном заводе при работе электротермических установок наблюдалась несимметрия напряжений; коэффициент несимметрии достигал 18%. На машиностроительных предприятиях наибольшую несимметрию напряжения создают дуговые и индукционные печи (от 1 до 3%) при напряжении 35 кВ и от 1 до 4% —при напряжении 6 и 10 кВ. Сварочные машины и машины контактного нагрева создают несимметрию напряжения в сети 0,4 кВ до 4% при одновременной работе нескольких машин. В электрических сетях предприятий целлюлозно- бумажной промышленности также имеет место несимметрия напряжений при питании сетей предприятий от тяговых подстанций энергосистемы. Появлению несимметрии способствует широкое внедрение тиристорных преобразователей для приводов бумаго- и картоноделательных машин, суперкаландров и других механизмов. Результаты исследований качества электроэнергии на предприятиях этой отрасли показали наличие отклонений напряжения от —6 до +8% от Uном и несимметрии напряжения — коэффициент несимметрии достигал 4% [44].
Наличие несимметрии напряжения в электрических сетях ухудшает режим работы выпрямителей, снижает эффективность использования регулирующих и компенсирующих установок. В энергосистемах несимметрия токов влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов; в линиях электропередач и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы, а также увеличивает перегрев трансформаторов.
Так, в работе [35] отмечается, что на целлюлозно-бумажных комбинатах несимметрия напряжений сказывается на генераторах ТЭЦ; несимметрия токов достигает 10% и почти удваивается при максимальной несимметрии напряжений. Если такие явления возникают в период максимальных активных нагрузок ТЭЦ, когда возможность снижения реактивной нагрузки турбогенераторов ТЭЦ отсутствует, то возникает интенсивный нагрев активных частей машин, иногда сверх допустимых пределов.
Несимметрия напряжения сказывается также на режимах работы асинхронных электродвигателей, которые перегреваются; вследствие повышения напряжения на одной или двух фазах увеличивается аварийность в кабельных сетях и батареях конденсаторов. Например, при работе электродвигателя с номинальным вращающим моментом и коэффициенте несимметрии напряжений, равном 4%, срок службы изоляции его сокращается почти в 2 раза только за счет дополнительного нагрева; при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 0,1, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16%.

Из всех показателей качества электроэнергии наибольшее внимание в последнее время уделяется несинусоидальности напряжения. Со времени проведения третьего Всесоюзного совещания по качеству электроэнергии (Баку, 1973 г.) в области исследования высших гармоник в сетях промышленных предприятий получены интересные результаты. Здесь следует отметить работу профессора И. В. Жежеленко «Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий», в которой обобщены и систематизированы вопросы генерирования и распределения высших гармоник, а также предложены методы расчета гармоник и силовых фильтров для минимизации гармоник.
В настоящее время считается общепризнанным, что несинусоидальность напряжения вызывается работой дуговых печей, сварочных машин, преобразователей тока и частоты, люминесцентных ламп и т. д. В сетях предприятий черной и цветной металлургии в наибольшей мере проявляется несинусоидальность напряжения в начальной стадии плавки — в период расплавления.
В работе [66] отмечается, что при испытании ионного привода блюминга 1150 имели место изменения действующих значений высших гармоник от 14,7 до 29,0% при различных режимах работы; действующие значения токов высших гармоник в сетях 6—10 кВ достигали значений до 25% от тока основной частоты.
На машиностроительных предприятиях коэффициент несинусоидальности лежит в пределах 1—7% при напряжении 35 кВ и 1—8% — при напряжении 6 и 10 кВ.
Сварочные машины генерируют гармоники 3-, 5-, 6-, 9-го порядков. Коэффициент несинусоидальности в сетях 0,4 кВ для сварочных машин достигает 7%. Преобразователи тока и частоты генерируют гармоники 5-, 7-, 11-, 13-го порядков. Коэффициент несинусоидальности для сетей 6—10 кВ, питающих эти преобразователи, не превышает 5%. Люминесцентные и дуговые лампы создают высшие гармоники 3-го, 5-го и 7-го порядков. Коэффициент несинусоидальности в этом случае достигал 2%.
Исследование показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения нефтехимического предприятия выявило, что в сети 0,4 кВ коэффициент несинусоидальности напряжения достигает 10—14%.
Наличие высших гармоник напряжения и тока оказывает влияние на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи, что вызывает народнохозяйственный ущерб. Возникают дополнительные потери мощности и энергии в электрооборудовании, ухудшается или становится невозможной работа конденсаторных батарей, сокращается срок службы изоляции электрических машин и кабелей, увеличивается погрешность индукционных счетчиков. Имеются случаи воздействия высших гармоник на генераторы электрических станций. Проникновение высших гармоник в системы автоматического регулирования приводит к ухудшению качества переходных процессов. Воздействие высших гармоник на системы импульсно-фазового управления вентильными преобразователями может привести к возникновению гармонической неустойчивости [34].
Для минимизации гармоник используются различные способы: введение тока тройной частоты в цепь вентильных преобразователей; увеличение числа фаз вентильных преобразователей; установка силовых фильтров. Наиболее перспективным следует признать применение силовых фильтров высших гармоник, установка которых в большинстве случаев может быть эффективной. Так, эффект от применения резонансных фильтров для одной из энергосистем страны составил около 270 тыс. руб. в год, а срок окупаемости — 1,6 года [82].

Качество тепловой энергии характеризуется стабильностью таких параметров, как давление и температура. Требования к качеству тепловой энергии дифференцированы по теплопотребляющим процессам: 1) силовые; 2) средне- и низкотемпературные технологические; 3) отопление и вентиляция.
Силовые процессы происходят в таких установках, как мо- оты, прессы, паровые машины прокатных станов и др. Важнейшим показателем для этих установок является поддержание явления пара, заданного технологическим процессом.
К среднетемпературным относятся процессы, которые потребляют тепловую энергию в виде пара в интервалах температур от 100 до 300—350° С. Низкотемпературные процессы осуществляются при потреблении тепловой энергии (горячая ода) с температурой ниже 100° С. Каждый потребитель пара ли горячей воды работает экономично, если параметры теплоносителя соответствуют нормам и технологическим требованиям.
Исследования, проведенные сотрудниками энергетического Факультета Ленинградского инженерно-экономического института им. П. Тольятти, показали, что качество тепловой энергии а ряде предприятий не соответствует нормам, и это вызывает дополнительные затраты [45]. Установлено, что качество тепловой энергии существенно изменяется как в течение часа, суток, недели, так и по сезонам года. Так, на машиностроительном заводе имело место понижение давления пара, получаемого на ТЭЦ, на 1,1 ата. Это оказало влияние на работу ряда потребителей. Причинами снижения параметров отпускаемого ТЭЦ пара явились рост нагрузок, дефицит мощности котельной увеличение потерь давления пара в тепловой схеме ТЭЦ.
Понижение параметров теплоносителя по сравнению с нормальным приводит к изменению величины подводимой мощности и, как следствие, снижает производительность теплопотребляющего оборудования, что приводит к недовыпуску продукции, в ряде случаев — к ухудшению энергоиспользования, увеличению энергетических потерь и удельных расходов на единицу продукции.
Отклонение начального давления пара от номинального оказывает влияние на производительность и экономичность работы силовых установок.
Понижение и колебания давления оказывают большое влияние на производительность потребителей пара: прессов, паровых машин, прокатных станов и молотов.
Так, при понижении давления у паровой машины прокатного стана увеличивается количество проходов и, следовательно, продолжительность прокатки. На одном машиностроительном предприятии имело место понижение давления в паропроходе паровой машины прокатного стана до 5,2 ати. Этого было остаточно для прокатки углеродистых сталей, но для легированных сталей требуется более высокое давление — 6,5 ати. Работа стана при прокатке углеродистых сталей с давлением 2 ати привела к увеличению продолжительности проката на 3%, а снижение производительности стана составило 10%.
В сортопрокатном цехе в результате снижения давлен пара имелось уменьшение производительности — около 3 в год. Наличие колебаний давления в диапазоне ±10% в конечном цехе приводило к снижению производительности мостов на 14%. После проведения мероприятий по повышению качества поставляемого пара только по этим трем цехам экономия составила более 300 тыс. руб. в год.

Отклонения температуры пара (в частности, при ее снижении) вызывают снижение работоспособности и увеличение потерь пара, что сказывается на внутреннем относительном к. п. Ниже показана зависимость перерасхода пара при работе паровых молотов от изменения температуры:

Как видно, при снижении температуры на 5° С имеет мес увеличение расхода пара на 0,8% по отношению расхода па при температуре 240° С. С другой стороны, повышение темпер туры перегрева пара для силовых потребителей вызывает сокращение расхода пара, что положительно сказывается на рабо оборудования, но вызывает термическую неустойчивость смазочных и набивочных материалов (250—270°С).

Отклонения температуры и давления оказывают существенное влияние на производительность и экономичность технологических установок. Так, скорость вулканизации резиновой изоляции и защитного шланга электрических кабелей в агрегате непрерывной вулканизации при каждом повышении темпер туры процесса на 10° С удваивается. При вулканизации резиновой обуви повышение давления в паровых регистрах в пределах 9,9 ати и выше на время не более 10 мин. уменьшает время вулканизации на 5 мин. Понижение давления пара в пар подогревателях в пределах 8,5±0,4 ати в воздушной или пар вой фазах на 10 мин. и более увеличивает время вулканизат на 5 мин. При дальнейшем понижении давления пара 7,5±0,5 ати на 10 мин и более время вулканизации увеличивается на 10 мин. При обследовании технологического процесса вулканизации было выявлено, что отклонение давления от нормы в большую и в меньшую сторону может приводить к браку продукции, снижает производительность установки эффективность работы персонала.
Приведенный материал позволяет сделать вывод о важности поддержания надлежащего качества тепловой энергии у ряда тепловых потребителей. С. другой стороны, требования, предъявляемые к качеству параметров тепловой энергии потребителями тепла, различны и зависят от технологического процесс вида энергооборудования. В связи с этим важное значение имеет исследование таких вопросов:

1. Выявление установок и процессов, существенно зависящих от качества тепловой энергии.
2. Установление главного параметра (давление, температура), оказывающего большое влияние на изменение технико-экономических показателей энергооборудования и процесса в целом.
3. Разработка норм на показатели качества тепловой энергии, дифференцированных по отраслям производства.
4. Введение допустимых отклонений показателей качества теплоэнергии от установленных норм.
5. Разработка методики определения экономического ущерба при работе энергетического и технологического оборудования с пониженным качеством тепловой энергии.

Качество топлива* характеризуется рядом показателей,** которые регламентируются в соответствии с его (топлива) видом, составом и свойствами.
Отклонения и колебания качества топлива, используемого на электростанциях или в промышленных установках, приводят к снижению надежности и экономичности работы энергооборудования, вызывая народнохозяйственный ущерб. Ущерб может достигать значительных величин, так как в настоящее время более 35% топлива, потребляемого в стране, используется тепловыми электростанциями для производства электрической и тепловой энергии.
По виду топливо подразделяется на жидкое, газообразное и твердое.
На электростанциях страны преобладающее место в структуре потребления топлива занимают твердые топлива (уголь, торф, сланцы) — около 50% по данным 1975 г.
Изменение структуры потребления топлива на электростанциях характеризуется увеличением доли кузнецких и экибастузских углей, значительным увеличением доли мазута (с содержанием серы 5—6%) и увеличением доли газа. В этой связи вопросы повышения качества топлива и его использования на ТЭС имеют важное народнохозяйственное значение.

* На примерах исследований, проведенных кафедрой экономики и организации планирования и управления энергетикой Ленинградского инженерноэкономического института им. П. Тольятти.

** См. гл. 1, табл. 1 данной книги.

В настоящее время важную роль стала играть .нестабильность качества сжигаемого топлива, т. е. кратковременные (в течение суток) колебания качественных показателей угля, поступающего в топку. В среднем на электростанции поступает от 50 до 70% угля с зольностью выше расчетной. При этом на многих ТЭС показатели отличаются от проектных в худшую сторону, что видно из табл. 7, где приведены данные колебаний качественных показателей донецких и кузнецких углей, использованных на мощных электростанциях.

Следует отметить, что нестабильность качества топлива затрудняет, а в ряде случаев делает просто невозможной работу автоматического регулирования и тем более применение управляющих вычислительных машин.
Из изложенного вытекает, что качество электроэнергии, тепловой энергии и топлива является социально-экономической категорией, а поддержание надлежащего качества энергии представляет собой актуальную задачу, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение. Для решения этой задачи могут быть использованы различные пути и способы повышения качества энергии.