2.1. Влияние отклонения частоты в энергосистеме на работу электроприемников

Различают электромагнитное и технологическое влияние отклоне­ния частоты на работу электроприемников. Электромагнитная состав­ляющая обусловливается увеличением потерь активной мощности и ростом потребления активной и реактивной мощностей. Можно счи­тать, что снижение частоты на 1 % увеличивает потери в сетях на 2%.

Технологическая составляющая вызвана в основном недовыпус­ком промышленными предприятиями продукции. Согласно экспер­тным оценкам, значение технологического ущерба на порядок вышеэлектромагнитного.

Анализ работы предприятий с непрерывным технологическим процессом показал, что большинство технологических линий обо­рудовано механизмами с постоянным и вентиляторным момента­ми сопротивлений, а их приводами служат асинхронные двигате­ли. Частота вращения двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зави­сит от частоты вращения двигателя. При значительном повышении частоты в энергосистеме, что может быть, например, в случае умень­шения (сброса) нагрузки, возможно повреждение оборудования.

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

Влияние изменения нагрузки потребителей при изменении часто­ты можно проанализировать с помощью статических характеристик обобщенного узла нагрузки от частоты, приведенных на рис.5.

Рис. 5. Статические характеристики по частоте обобщенного узла нагрузки.

Как видно из рис. 5, снижение частоты до значе­ния f₁ приводит к увеличе­нию потребляемой нагрузкой реактивной мощности Q, до значения Q_*1, что влечет за собой понижение напряже­ния в узле присоединения на­грузки. При этом потребляе­мая активная мощность снижается до Р_*1. Обычно увеличение потребляемой реактивной мощности выше, чем снижение активной мощности, что приводит к увеличению пере­токов полной мощности по элементам сети и, следовательно, к увели­чению потерь мощности и энергии в сети.

Изменение нагрузки потребителей в сети может быть различным по характеру. При малых изменениях нагрузки в системе требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регу­лирование частоты в системе может производится на одной, так на­зываемой частотно-регулирующей станции. При больших измене­ниях нагрузки увеличение мощности должно быть предусмотрено на значительном числе станций. В связи с этим в соответствии с предполагаемыми изменениями нагрузок потребителей заранее со­ставляются графики соответствующего изменения нагрузки элект­ростанций. При этом предусматривается экономическое распреде­ление нагрузок между станциями.

В послеаварийных режимах, например при отключении мощных линий электропередач, система может оказаться разделенной на отдельные несинхронно работающие части. В некоторых из них мощность электростанций может оказаться недостаточной для под­держания частоты и будут наблюдаться большие изменения часто­ты. Это, как уже отмечалось, приведет к резкому снижению произ­водительности оборудования собственных нужд электростанций (питательных и циркуляционных насосов, дымососов и т.д.), что вызовет дальнейшее значительное уменьшение мощности станций, вплоть до их выпадения из работы. Для предотвращения общесис­темных аварий в подобных случаях предусматривают специальные автоматические устройства частотной разгрузки (АЧР), отключа­ющие в таких случаях часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности, например после включе­ния резервных источников, специальные устройства частотного автоматического повторного включения (АПВЧ) включают отклю­ченных потребителей, и нормальная работа системы восстанавли­вается.

2.2. Влияние отклонения напряжения на работу электроприемников

Каждый приемник электроэнергии спроектирован для работы при номинальном напряжении и должен обеспечивать нормаль­ное функционирование при отклонениях напряжения от номиналь­ного на заданную ГОСТ величину. При изменении напряжения в пределах этого рабочего диапазона могут изменяться значения вы­ходного параметра приемника электроэнергии, например темпе­ратура в электротермической установке, освещенность у электро­осветительной установки, полезная мощность на валу электродви­гателя и т.д.

Одновременно с изменением выходных параметров, а в ряде слу­чае даже когда выходные параметры не изменяются, изменение напряжения приводит к изменению потребляемой приемником элект­роэнергии мощности.

Работа электротермических установок при значи­тельном снижении напряжения существенно ухудшается, так как уве­личивается длительность технологического процесса.

Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощ­ности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением 0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект актив­ной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряже­ния приводит к перерасходу электроэнергии.

Индукционные плавильные печи промышленной частоты и по­вышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной часто­ты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.

Вентильные преобразователи обычно имеют систе­му автоматического регулирования постоянного тока путем фазо­вого управления. При повышении напряжения в сети угол регули­рования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем. Регулирующие эффек­ты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизе­ром для активной мощности 3,5; для реактивной мощности 7,6.

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. При снижении напряжения до 0,9U_НОМ время сварки увеличивается на 20 %, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1)U_НОМ возникает брак сварных швов.

Электрохимические и электролизные установки работают на постоянном токе, который получают от преобразова­тельных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8... 0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению про­изводительности, а повышение напряжения - к недопустимому пе­регреву ванн электролизера.

Установки электрического освещения с лампа­ми накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натри­евыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприяти­ях для внутреннего и наружного освещения. В производственных цехах в настоящее время применяются преимущественно дуговые ртутные лампы высокого давления типов ДРЛ и ДРИ 220 В. Ава­рийное освещение, составляющее 10% от общего, выполняется лампами накаливания. Коэффициент мощности светильников с ин­дивидуальными конденсаторами 0,9...0,95, а без них - 0,6. Лишь лампы накаливания имеют коэффициент мощности 1,0. В цехах, лабораториях, административных помещениях, требующих повы­шенной освещенности и правильной цветопередачи, устанавлива­ют люминесцентные лампы. Для наружного освещения рекомен­дуются лампы типа ДРЛ. Регулирующий эффект у ламп накалива­ния в области номинального напряжения равен 1,6. Статическую характеристику по напряжению для ламп накаливания приближен­но можно записать так:

(10)

Необходимо отметить, что при изменении напряжения изменя­ется освещенность, световой поток и срок службы лампы. На каж­дый процент понижения напряжения световой поток уменьшается приблизительно на 3,6 %. Срок службы увеличивается приблизитель­но на 1,3%.

Люминесцентные лампы также изменяют свое потребление с из­менением напряжения.

2.3. Статические характеристики асинхронных двигателей

Наибольшее влияние на характер статических характеристик асинхронного двигателя оказывают номинальная мощность двига­теля, его коэффициент загрузки и коэффициент, учитывающий из­менение момента сопротивления производственного механизма при изменении скорости вращения ротора двигателя.

На рис. 6 и 7 показаны зависимости регулирующих эффек­тов нагрузки АД по активной а₁ и по реактивной б_1л мощности от его коэффициента нагрузки k₃ при коэффициенте сопротивления механизма а = 0.

Изменение напряжения на зажимах двигателя на 1 % от номи­нального приводит к изменению в ту же сторону потребляемой ак­тивной мощности на 0,05...0,35%, а реактивной мощности - на 0,8...3,2% при изменении k₃ от 1 до 0

Рис. 6. Регулирующие эффекты нагрузки АД по активной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α = О

Таким образом, снижение напряжения, подводимого к АД, в допустимых пределах может привести к снижению потребления мощности. При этом эффективность снижения потребления реак­тивной мощности увеличивается с уменьшением номинальной мощ­ности и коэффициента загрузки двигателя.

Рис. 7. Регулирующие эффекты нагрузки АД по реактивной мощности при коэффициенте сопротивления механизма α= 0.

2.4. Влияние колебаний напряжения на работу электроприемников

ГОСТ 13109-99 определяет воздействие колебаний напряжения на осветительные установки, влияющие на зрение человека. Мига­ние ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психо­логический эффект, утомление зрения и организма в целом. Сте­пень раздражения органов зрения зависит от величины и частоты мигания. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказыва­ют мигания света с частотой 3... 10 Гц, поэтому допустимые коле­бания напряжения в этом диапазоне минимальны (см. рис. 2): менее 0,5%. Причем степень воздействия зависит от типа источни­ка света. Например, при одинаковых колебаниях напряжения лам­пы накаливания оказывают значительно большее воздействие, чем газоразрядные лампы.

Колебания напряжения более 10% могут привести к погасанию газоразрядных ламп. Зажигание их в зависимости от типа ламп про­исходит через несколько секунд или даже минут. При глубоких ко­лебаниях напряжения (более 15%) могут отпасть контакты магнит­ных пускателей, вызвав нарушения технологии производства.

Колебания напряжения с размахом 10...15% могут привести к выходу из строя конденсаторов, а также вентильных выпрямитель­ных агрегатов.

На металлургических заводах к числу приемников, чувствитель­ных к колебаниям напряжения, относятся станы непрерывной про­катки.

При колебаниях напряжения возникают качания турбогенера­торов. Для самих турбогенераторов такие качания не опасны, однако, передаваясь на лопатки турбины, они могут привести в дей­ствие регуляторы скорости.

Заметное влияние оказывают колебания напряжения на асинхрон­ные двигатели небольшой мощности. Колебания недопустимы для текстильного, бумагоделательного и других производств, предъяв­ляющих особенно высокие требования к точности поддержания час­тоты вращения приводов, в качестве которых используют асинхрон­ные двигатели.

Подробно исследовано влияние колебаний напряжения на элект­ролизные установки. Колебания напряжения с размахом 5% вызы­вают резкое увеличение износа анодов и сокращение срока службы. Колебания напряжения оказывают существенное влияние на кон­тактную сварку. Это воздействие сказывается как на качестве само­го сварочного процесса, так и ненадежности работы управления сваркой. На качество напряжения в сетях контактной сварки накла­дываются жесткие ограничения по размаху изменений напряжения: 5% для сварки обычных сталей и 3 % для сварки титановых и других жаропрочных сталей и сплавов. Продолжительность допустимых колебаний напряжения для аппаратуры управления машинами кон­тактной сварки ограничивается величиной не более 0,2 с во избежа­ние ложной работы этих устройств.

Колебания напряжения отрицательно влияют на работу радио­приборов, нарушая их нормальную работу и снижая срок службы. Помехи в телевизионных изображениях проявляются при частотах 0,5...3 Гц и заметны, главным образом, при неподвижных изобра­жениях.

К электроприемникам, чувствительным к колебаниям напряже­ния, относятся также вычислительные машины, рентгеновские уста­новки и т.д. При работе ЭВМ в режиме управления иногда оказыва­ется достаточным одного-двух колебаний с размахом 1... 1,5 %, чтобы возник сбой в какой-либо ячейке машины и, как следствие, возникли ошибки в командах управления или при производстве расчетов.

2.5 . Влияние несимметрии напряжения на работу элсктроприемников

На рис. 8 приведены векторные диаграммы прямой, обрат­ной последовательностей и результирующих напряжений. Как вид­но из векторной диаграммы результирующего напряжения, при появлении в трехфазной сети напряжения обратной последователь­ности ухудшается режим напряжений как трехфазных, так и одно­фазных электроприемников.

Рис. 8. Влияние появления напряжения обратной последовательности на величину результирующих напряжений сети:

а - векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б - векторная диаг­рамма напряжений обратной последовательности; в - векторная диаграмма результи­рующих напряжений

Особенно неблагоприятно влияет напряжение обратной после­довательности на работу вращающихся электрических машин.

В асинхронных двигателях несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент, Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 5...7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляю­щей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вы­зывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его рас­полагаемая мощность. Быстро стареет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при ко­эффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза.

При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последо­вательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных при­емников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств.

Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы рабо­ты многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация вы­прямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние не­симметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений нерав­номерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что дела­ет невозможным полное использование установленной 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).

Несимметрия напряжения значительно влияет и на однофазные потребители. Если фазные напряжения неодинаковы, 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 усложняет работу релейной защиты, ведет к ошиб­кам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.

2.6. Влияние несинусоидальности напряжения на работу электроприемников

Для оценки влияния напряжения высших гармоник на напряже­ние в сети рассмотрим, как меняется мгновенное (или действующее) значение напряжения на зажимах элект­роприемника в этом случае (рис. 9).

Рис. 9. Влияние напряжения высшей гармоники на результирующее напряжение сети

Допустим, что в сети появляется на­пряжение высшей гармоники с порядко­вым номером 2 (вторая гармоника), оче­видно, что возрастает амплитудное значение напряжения, а также его дей­ствующее значение.

Воздействие тока второй гармоники (f= 100 Гц) аналогично воздействию об ратной последовательности, тока третьей гармоники (F= 150 Гц) - появлению     нулевой последовательности. При появ­лении тока гармоники с большим поряд­ковым номером проявляется поверхностный эффект (вытеснение тока к поверхности проводника), что приводит к дополнительным потерям тепла, нагреву изоляции электрооборудования и снижению срока его службы.

В целом несинусоидальные режимы обладают теми же недостат­ками, что и несимметричные. Однако несинусоидальные токи при­водят к большему дополнительному нагреву вращающихся машин, а также к большему дополнительному нагреву и увеличению диэлектрических потерь в конденсаторах, кабелях.

Проникновение высших гармоник в сеть приводит к нарушени­ям работы устройств телемеханики, автоматики, релейной защи­ты. В сети возможно возникновение резонансных режимов на высших гармониках, при этом резко возрастают токи и напряжения на отдельных участках сети.