Wskaźniki jakości energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych
Zgodnie z GOST 13109-87 rozróżnia się podstawowe i dodatkowe wskaźniki jakości energii.
Wśród głównych wskaźników jakości energii elektrycznej określenie właściwości energii elektrycznej charakteryzujących jej jakość obejmuje:
1) odchylenie napięcia (δU, %);
2) zakres zmian napięcia (δUT,%);
3) dawka wahań napięcia (ψ, %);
4) współczynnik niesinusoidalności krzywej napięcia (kNSU, %);
5) współczynnik n-tej składowej harmonicznej napięcia nieparzystego (parzystego) rzędu (kU(n), %);
6) współczynnik przeciwnej kolejności napięć (k2U, %);
7) przekładnia składowej zerowej napięcia (k0U, %);
8) czas trwania spadku napięcia (ΔTpr, s);
9) napięcie udarowe (Uimp, V, kV);
10) odchylenie częstotliwości (Δe, Hz).
Dodatkowe wskaźniki jakości energii, które są formami rejestracji głównych wskaźników jakości energii i są stosowane w innych dokumentach regulacyjnych i technicznych:
1) współczynnik modulacji amplitudy napięć (kMod);
2) współczynnik asymetrii między napięciami fazowymi (kneb.m);
3) współczynnik asymetrii napięć fazowych (kneb.f).
Zwróćmy uwagę na dopuszczalne wartości określonych wskaźników jakości energii elektrycznej, wyrażenia na ich definicję i zakres. Przez 95% pory dnia (22,8 godziny) wskaźniki jakości energii elektrycznej nie powinny przekraczać normalnych wartości dopuszczalnych i przez cały czas, w tym w stanach awaryjnych, powinny mieścić się w granicach wartości maksymalnych dopuszczalnych.
Kontrola jakości energii elektrycznej w charakterystycznych punktach sieci elektrycznych jest przeprowadzana przez personel przedsiębiorstwa sieci elektroenergetycznej. W takim przypadku czas trwania pomiaru wskaźnika jakości energii powinien wynosić co najmniej jeden dzień.
Odchylenia napięcia
Odchylenie napięcia jest jednym z najważniejszych wskaźników jakości energii. Odchylenie napięcia można znaleźć za pomocą wzoru
δUt = ((U(t) — Un) / Un) x 100%
gdzie U(t) — wartość skuteczna napięcia składowej zgodnej częstotliwości podstawowej lub po prostu wartość skuteczna napięcia (przy współczynniku niesinusoidalnym mniejszym lub równym 5%), w chwili T, kV ; Napięcie nienominalne, kV.
Wielkość Ut = 1/3 (UAB (1) + UPBC (1) + UAC (1)), gdzie UAB (1), UPBC (1), UAC (1)-wartości RMS napięcia międzyfazowego przy częstotliwości podstawowej.
Ze względu na zmiany obciążenia w czasie, zmiany poziomu napięcia i inne czynniki, zmienia się wielkość spadku napięcia w elementach sieci i odpowiednio poziom napięcia UT.W rezultacie okazuje się, że w różnych punktach sieci w tym samym momencie iw jednym momencie w różnym czasie odchyłki napięcia są różne.
Normalna praca odbiorników elektrycznych o napięciu do 1 kV jest zapewniona pod warunkiem, że odchyłki napięcia na ich wejściu wynoszą ± 5% (wartość normalna) i ± 10% (wartość maksymalna). W sieciach o napięciu 6 — 20 kV ustawia się maksymalne odchylenie napięcia ± 10%.
Moc pobierana przez żarówki jest wprost proporcjonalna do dostarczonego napięcia do potęgi 1,58, moc świetlna lamp do potęgi 2,0, strumień świetlny do potęgi 3,61, a żywotność lampy do potęgi moc 13,57. Działanie świetlówek w mniejszym stopniu zależy od odchylenia napięcia. Tak więc ich żywotność zmienia się o 4% przy odchyleniu napięcia o 1%.
Zmniejszenie oświetlenia na stanowiskach pracy następuje wraz ze spadkiem napięcia, co prowadzi do spadku wydajności pracowników i pogorszenia ich wzroku. Przy dużych spadkach napięcia świetlówki nie świecą ani nie migają, co prowadzi do skrócenia ich żywotności. Wraz ze wzrostem napięcia żywotność żarówek drastycznie spada.
Prędkość obrotowa asynchronicznych silników elektrycznych i odpowiednio ich działanie, a także pobierana moc bierna zależą od poziomu napięcia. To ostatnie znajduje odzwierciedlenie w wielkości strat napięcia i mocy na odcinkach sieci.
Spadek napięcia prowadzi do wydłużenia czasu procesu technologicznego w instalacjach elektrotermicznych i elektrolizy, a także do niemożności stabilnego odbioru programów telewizyjnych w sieciach użyteczności publicznej. W drugim przypadku stosuje się tzw. stabilizatory napięcia, które same pobierają znaczną moc bierną i powodują straty mocy w stali. Do ich produkcji wykorzystywana jest rzadko spotykana stal transformatorowa.
W celu zapewnienia niezbędnego napięcia szyn niskonapięciowych wszystkich TP, w centrum spożywczym zastosowano tzw. regulację przeciwprądową. Tutaj, w trybie maksymalnego obciążenia, utrzymywane jest maksymalne dopuszczalne napięcie szyn procesora, aw trybie minimalnego obciążenia, minimalne napięcie.
W tym przypadku następuje tzw. lokalna regulacja napięcia każdej stacji transformatorowej poprzez ustawienie przełącznika transformatorów rozdzielczych w odpowiedniej pozycji. W połączeniu ze scentralizowaną (w procesorze) i zdefiniowaną lokalnie regulacją napięcia, stosuje się regulowane i nieregulowane baterie kondensatorów, zwane też lokalnymi regulatorami napięcia.
Zmniejszenie napięcia
Wahania napięcia to różnica między wartościami szczytowymi lub wartościami skutecznymi napięcia przed i po zmianie napięcia i jest określona wzorem
δUt = ((Ui — Уi + 1) / √2Un) x 100%
gdzie Ui i Ui + 1- wartości kolejnych ekstremów lub ekstremów oraz poziomej części obwiedni wartości napięć amplitudowych.
Zakresy wahań napięcia obejmują pojedyncze zmiany napięcia dowolnej postaci z częstotliwością powtarzania od dwóch na minutę (1/30 Hz) do jednej na godzinę, ze średnią szybkością zmian napięcia większą niż 0,1% na sekundę (w przypadku lamp żarowych) i 0,2 % na sekundę dla innych odbiorników.
Gwałtowne zmiany napięcia spowodowane są udarowym trybem pracy silników hutniczych młynów walcowych instalacji trakcyjnych kolei, pieców łąkowych do produkcji stali, sprzętu spawalniczego, a także częstymi rozruchami asynchronicznych silników elektrycznych dużej mocy z wiewiórkami, gdy uruchamiają, moc bierna to kilka procent mocy zwarciowej.
Liczba zmian napięcia w jednostce czasu, tj. częstotliwość zmian napięcia oblicza się ze wzoru F = m / T, gdzie m to liczba zmian napięcia w czasie T, T to całkowity czas obserwacji wahań napięcia.
Główne wymagania dotyczące wahań napięcia wynikają ze względów ochrony oczu. Stwierdzono, że największa wrażliwość oka na migotanie światła występuje w zakresie częstotliwości równym 8,7 Hz. Dlatego w przypadku żarówek, które zapewniają oświetlenie robocze o znacznych napięciach wizualnych, zmiana napięcia jest dozwolona nie więcej niż 0,3%, w przypadku lamp pompujących w życiu codziennym - 0,4%, w przypadku lamp fluorescencyjnych i innych odbiorników elektrycznych - 0,6.
Dopuszczalne zakresy wychylenia przedstawiono na rys. 1.
Ryż. 1. Dopuszczalne zakresy wahań napięcia: 1 — oświetlenie robocze lampami żarowymi o wysokim napięciu wizualnym, 2 — żarówki domowe, 3 — świetlówki
Region I odpowiada pracy pomp i urządzeń gospodarstwa domowego, II — dźwigom, podnośnikom, III — piecom łukowym, ręcznemu zgrzewaniu oporowemu, IV — pracy sprężarek tłokowych i automatycznym zgrzewaniu oporowym.
W celu ograniczenia zakresu zmian napięcia w sieci oświetleniowej, oddzielne zasilanie odbiorników sieci oświetleniowej oraz pobieranie mocy z różnych transformatorów mocy, podłużna kompensacja pojemnościowa sieci elektroenergetycznej, a także synchroniczne silniki elektryczne i sztuczne źródła mocy biernej mocy (dławiki lub baterie kondensatorów, których prąd jest generowany za pomocą zaworów sterowanych w celu uzyskania wymaganej mocy biernej).
Dawka wahań napięcia
Dawka wahań napięcia jest tożsama z zakresem zmian napięcia i wprowadzana jest do istniejących sieci elektrycznych, gdy tylko zostaną one wyposażone w odpowiednie urządzenia. W przypadku zastosowania wskaźnika „dawka wahań napięcia” nie można dokonać oceny dopuszczalności zakresu zmian napięcia, ponieważ rozpatrywane wskaźniki są wymienne.
Dawka wahań napięcia jest również integralną cechą wahań napięcia powodujących irytację człowieka, które nagromadziły się w określonym czasie w wyniku błyskania światła w zakresie częstotliwości od 0,5 do 0,25 Hz.
Maksymalna dopuszczalna wartość dawki od wahań napięcia (ψ, (%)2) w sieci elektrycznej, do której podłączone są instalacje oświetleniowe, nie powinna przekraczać: 0,018 — przy lampach żarowych w pomieszczeniach, w których wymagane jest znaczne napięcie wizualne; 0,034 — z lampami żarowymi we wszystkich pozostałych pomieszczeniach; 0,079 — ze świetlówkami.
Niesinusoidalny współczynnik krzywej napięcia
Podczas pracy w sieci mocnych instalacji prostownikowych i przekształtnikowych, a także pieców łukowych i instalacji spawalniczych, czyli elementów nieliniowych, dochodzi do zniekształcenia krzywych prądów i napięć. Niesinusoidalne krzywe prądu i napięcia to oscylacje harmoniczne o różnych częstotliwościach (częstotliwość przemysłowa to najniższa harmoniczna, wszystkie inne w stosunku do niej to wyższe harmoniczne).
Wyższe harmoniczne w układzie zasilania powodują dodatkowe straty energii, skracają żywotność baterii kondensatorów cosinusowych, silników elektrycznych i transformatorów, prowadzą do trudności w ustawianiu zabezpieczeń i sygnalizacji przekaźników, a także pracy napędów elektrycznych sterowanych tyrystorami itp. . .
Zawartość wyższych harmonicznych w sieci elektrycznej charakteryzuje się niesinusoidalnym współczynnikiem krzywej napięcia kNSU, który jest określony wzorem
gdzie N jest rzędem ostatniej z rozważanych składowych harmonicznych, Uн — wartość skuteczna n-tej (n = 2, ... Н) składowej harmonicznej napięcia, kV.
Normalne i maksymalne dopuszczalne wartości kNSU nie powinny przekraczać odpowiednio: w sieci elektrycznej o napięciu do 1 kV — 5 i 10%, w sieci elektrycznej 6 — 20 kV — 4 i 8%, w sieci elektrycznej 35 kV — 3 i 6%, w sieci elektrycznej 110 kV i powyżej 2 i 4%.
Do redukcji wyższych harmonicznych stosuje się filtry mocy, które są szeregowym połączeniem rezystancji indukcyjnej i pojemnościowej dostrojonej do rezonansu przy określonej harmonicznej. Aby wyeliminować harmoniczne przy niskich częstotliwościach, stosuje się instalacje konwerterów z dużą liczbą faz.
Współczynnik n-tej składowej harmonicznej napięcia nieparzystego (parzystego) rzędu
Współczynnik nTa składowa harmoniczna napięcia nieparzystego (parzystego) rzędu jest stosunkiem wartości skutecznej n-tej składowej harmonicznej napięcia do wartości skutecznej napięcia częstotliwości podstawowej, tj. kU (n) = (Un/Un) x 100%
Przez wartość współczynnika kU (n) widmo jest określane przez n-x składowych harmonicznych, dla których tłumienia należy zaprojektować odpowiednie filtry mocy.
Normalne i maksymalne dopuszczalne wartości nie powinny przekraczać odpowiednio: w sieci elektrycznej o napięciu do 1 kV — 3 i 6%, w sieci elektrycznej 6 — 20 kV 2,5 i 5%, w sieci elektrycznej 35 kV — 2 i 4%, w sieci elektrycznej 110 kV i powyżej 1 i 2%.
Brak równowagi napięcia
Asymetria napięć występuje na skutek obciążenia jednofazowych odbiorników elektrycznych. Ponieważ sieci dystrybucyjne o napięciach powyżej 1 kV działają z izolowanym lub skompensowanym punktem neutralnym, to znaczy asymetria napięcia z powodu pojawienia się składowej przeciwnej napięcia. Asymetria przejawia się w postaci nierówności napięcie sieciowe i fazowe i scharakteryzowany jest ujemny kolejny czynnik:
k2U = (U2(1)/ Un) x 100%,
gdzie U2(1) jest wartością skuteczną składowej przeciwnej napięcia przy częstotliwości podstawowej trójfazowego układu napięciowego, kV. Wartość U2(1) można uzyskać mierząc trzy napięcia przy częstotliwości podstawowej, tj. UA(1), UB (1), UB (1)... Wtedy
gdzie yA, yB i y° C — przewodnictwo fazowe A, B i ° C odbiornik.
W sieciach o napięciach powyżej 1 kV asymetria napięć występuje głównie z powodu jednofazowych instalacji elektrotermicznych (piece łukowe pośrednie, piece oporowe, piece z kanałami indukcyjnymi, instalacje do topienia elektrożużlowego itp.).
Czy obecność składowej przeciwnej napięcia prowadzi do dodatkowego nagrzewania się uzwojeń wzbudzenia generatorów synchronicznych i wzrostu ich drgań, dogrzewania się silników elektrycznych i gwałtownego skracania żywotności ich izolacji, spadku generowanej mocy biernej przez kondensatory mocy, dogrzewanie linii i transformatorów? zwiększenie ilości fałszywych alarmów zabezpieczenia przekaźnika itp.
Na zaciskach symetrycznego odbiornika elektrycznego normalnie dopuszczalny współczynnik asymetrii wynosi 2%, a maksymalny dopuszczalny to 4%.
Wpływ asymetrii jest znacznie zmniejszony, gdy jednofazowe odbiorniki energii są zasilane przez oddzielne transformatory, a także gdy stosowane są sterowane i niesterowane urządzenia równoważące, które kompensują składową przeciwną prądu równoważnego pobieranego przez obciążenia jednofazowe.
W sieciach czteroprzewodowych o napięciu do 1 kV niezrównoważeniu spowodowanemu przez odbiorniki jednofazowe związane z napięciami fazowymi towarzyszy przepływ prądu w przewodzie neutralnym, a co za tym idzie pojawienie się napięcia składowej zerowej .
Współczynnik składowej zerowej napięcia k0U = (U0(1)/ Un.f.) x 100%,
gdzie U0 (1) — efektywna wartość napięcia składowej zerowej częstotliwości podstawowej, kV; Unf. — nominalna wartość napięcia fazowego, kV.
Wielkość U0(1) wyznacza się mierząc napięcia trzech faz przy częstotliwości podstawowej, tj.
gdzie tiA, vB, c° C, yO — przewodność faz A, B, C odbiornika i przewodność przewodu neutralnego; UA(1), UB (1), UVB (1) - wartości skuteczne napięć fazowych.
Dopuszczalna wartość U0(1) ograniczona wymaganiami tolerancji napięcia, które są spełnione przez zerowy współczynnik kolejności 2% dla poziomu normalnego i 4% dla poziomu maksymalnego.
Zmniejszenie wartości można uzyskać poprzez racjonalne rozłożenie obciążenia jednofazowego pomiędzy fazy, a także zwiększenie przekroju przewodu neutralnego do przekroju przewodów fazowych oraz zastosowanie transformatorów w sieci dystrybucyjnej z grupą połączeń gwiazda-zygzak.
Zapad napięcia i intensywność zapadów napięcia
Zapad napięcia — jest to nagły znaczny spadek napięcia w punkcie sieci elektrycznej, po którym następuje powrót napięcia do poziomu początkowego lub zbliżonego po czasie od kilku okresów do kilkudziesięciu sekund.
Czas trwania spadku napięcia ΔTpr jest to przedział czasu pomiędzy początkowym momentem spadku napięcia a momentem powrotu napięcia do poziomu początkowego lub zbliżonego (rys. 2), tj. ΔTpr = Tvos — Trano
Ryż. 2. Czas trwania i głębokość spadku napięcia
Znaczenie ΔTpr waha się od kilku okresów do kilkudziesięciu sekund. Spadek napięcia charakteryzuje się intensywnością i głębokością zapadu δUpr, która jest różnicą między wartością nominalną napięcia a minimalną wartością skuteczną napięcia Umin podczas spadku napięcia i wyrażana jest w procentach wartości nominalnej napięcie lub w jednostkach bezwzględnych.
Wielkość δUpr określa się w następujący sposób:
δUpr = ((Un — Umin)/ Un) x 100% lub δUpr = Un — Umin
Intensywność zapadów napięcia m* reprezentuje częstotliwość występowania w sieci zapadów napięcia o określonej głębokości i czasie trwania, tj. m* = (m (δUpr, ΔTNC)/М) NS 100%, gdzie m (δUpr, ΔTNS) — liczba spadków napięcia głębokość δUpr i czas trwania ΔTNS w czasie T; M — całkowita liczba spadków napięcia podczas T.
Niektóre rodzaje urządzeń elektrycznych (komputery, energoelektronika), dlatego projekty zasilania takich odbiorników muszą przewidywać działania mające na celu ograniczenie czasu trwania, intensywności i głębokości zapadów napięcia. GOST nie wskazuje dopuszczalnych wartości czasu trwania spadków napięcia.
Napięcie impulsowe
Skok napięcia to nagła zmiana napięcia, po której następuje powrót napięcia do normalnego poziomu w czasie od kilku mikrosekund do 10 milisekund. Reprezentuje on maksymalną chwilową wartość napięcia impulsowego Uimp (rys. 3).
Ryż. 3. Napięcie impulsowe
Napięcie udarowe charakteryzuje się amplitudą impulsu U'imp, która jest różnicą między impulsem napięciowym a chwilową wartością napięcia o częstotliwości podstawowej odpowiadającej chwili początku impulsu. Czas trwania impulsu Timp — odstęp czasu między początkowym momentem impulsu napięcia a momentem powrotu chwilowej wartości napięcia do poziomu normalnego. Szerokość impulsu można obliczyć Timp0,5 na poziomie 0,5 jego amplitudy (patrz rys. 3).
Napięcie udarowe określa się w jednostkach względnych wzorem ΔUimp = Uimp / (√2Un)
Wrażliwe na impulsy napięcia są również takie odbiorniki elektryczne jak komputery, energoelektronika itp. Napięcia impulsowe pojawiają się w wyniku przełączania w sieci elektrycznej. Podczas projektowania konkretnych projektów zasilaczy należy rozważyć środki redukcji napięcia impulsowego. GOST nie określa dopuszczalnych wartości napięcia impulsowego.
Odchylenie częstotliwości
Zmiany częstotliwości wynikają ze zmian całkowitego obciążenia i charakterystyki regulatorów prędkości turbiny. Duże odchyłki częstotliwości wynikają z powolnych, regularnych zmian obciążenia przy niewystarczającej rezerwie mocy czynnej.
Częstotliwość napięcia, w przeciwieństwie do innych zjawisk pogarszających jakość energii elektrycznej, jest parametrem ogólnosystemowym: wszystkie generatory podłączone do jednego systemu wytwarzają prąd o napięciu o tej samej częstotliwości — 50 Hz.
Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa zawsze istnieje ścisła równowaga między produkcją energii elektrycznej a produkcją energii elektrycznej. Dlatego każda zmiana mocy obciążenia powoduje zmianę częstotliwości, co prowadzi do zmiany generowania mocy czynnej generatorów, dla których bloki „turbino-generatorów” są wyposażone w urządzenia umożliwiające regulację przepływu nośnika energii w turbinie w zależności od zmian częstotliwości w układzie elektrycznym.
Przy pewnym wzroście obciążenia okazuje się, że moc bloków „turbinogeneratora” jest wyczerpana. Jeśli obciążenie nadal rośnie, waga ustawia się na niższej częstotliwości – następuje dryf częstotliwości. W tym przypadku mówimy o deficycie mocy czynnej do utrzymania częstotliwości nominalnej.
Odchylenie częstotliwości Δf od wartości nominalnej en określa wzór Δf = f — fn, gdzie jest — aktualna wartość częstotliwości w systemie.
Zmiany częstotliwości powyżej 0,2 Hz mają istotny wpływ na parametry techniczne i ekonomiczne odbiorników elektrycznych, dlatego normalna dopuszczalna wartość odchyłki częstotliwości wynosi ± 0,2 Hz, a maksymalna dopuszczalna wartość odchyłki częstotliwości wynosi ± 0,4 Hz. W trybach awaryjnych odchylenie częstotliwości od +0,5 Hz do -1 Hz jest dopuszczalne przez nie więcej niż 90 godzin rocznie.
Odchylenie częstotliwości od nominalnej prowadzi do wzrostu strat energii w sieci, a także do spadku wydajności urządzeń technologicznych.
Współczynnik modulacji amplitudy napięcia i współczynnik niezrównoważenia między napięciami fazowymi i fazowymi
Napięcie modulujące amplitudę charakteryzuje wahania napięcia i jest równe stosunkowi połowy różnicy największej i najmniejszej amplitudy napięcia modulowanego, pobranej w pewnym przedziale czasu, do wartości nominalnej lub bazowej napięcia, tj.
kmod = (Unb — Unm) / (2√2Un),
gdzie Unb i Unm — odpowiednio największa i najmniejsza amplituda modulowanego napięcia.
Współczynnik asymetrii między napięciami fazowymine.mf charakteryzuje asymetrię napięć międzyfazowych i jest równy stosunkowi wahań asymetrii napięć międzyfazowych do wartości nominalnej napięcia:
kne.mf = ((Unb — Unm) /Un) x 100%
gdzie Unb i Unm – największa i najniższa skuteczna wartość napięć fazowych trzech faz.
Współczynnik asymetrii napięć fazowych kneb.f charakteryzuje asymetrię napięć fazowych i jest równy stosunkowi wahań asymetrii napięć fazowych do wartości nominalnej napięcia fazowego:
kneb.ph = ((Unb.f — Unm.f) /Un.f) x 100%,
gdzie Unb i Unm — największa i najniższa skuteczna wartość trzech napięć fazowych, Un.f — wartość znamionowa napięcia fazowego.
Przeczytaj także: Środki i środki techniczne poprawy jakości energii elektrycznej