Влияние несимметрии токов на качество электрической энергии

Как уже было отмечено, несимметрия токов, вызывая ток нулевой и обратной последовательностей, одновременно создаёт напряжение смещения нулевой точки системы фазных напряжений, обуславливая тем самым возникновение несимметрии напряжений.

Качество электрической энергии по коэффициентам обратной и нулевой последовательностей напряжений в точке общего присоединения обычно считается соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений, не превышает предельно допустимого значения, а значения коэффициентов обратной и нулевой последовательностей, соответствующие вероятности 95% за установленный период времени, не превышают нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения.

При этом качество электрической энергии по коэффициентам обратной и нулевой последовательностей напряжений считается соответствующим требованиям стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин., а за предельно допустимые значения – 0% от этого периода времени.

Показатели качества электрической энергии, характеризующиеся несимметрией напряжения, неразрывно связаны не только с потерями электроэнергии в отдельных элементах ССЭ, но и с некоторыми показателями надёжности электроснабжения (например, частотой отказов элементов ССЭ из-за низкого качества подводимого напряжения и др.

Влияние несимметрии напряжений на работу различных ЭП

1) 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 допустимые значения. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП, при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, что ведет к снижению надежности работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.

2) Качественно отличается действие несимметричного режима от симметричного у таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели (АД). Сопротивление обратной последовательности АД примерно в 5 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, что ведет к дополнительному нагреву статора и ротора. Все это в итоге приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя.

3) 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.

4) В случае наличия токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных элементах сети, что приводит к увеличению суммарных потерь мощности (энергии) и может быть недопустимо с точки зрения нагрева.

5) Отметим, что значительные токи нулевой последовательности, протекающие через нулевой проводник недостаточного сечения, могут вызвать его сильный нагрев. Зафиксирован ряд случаев возникновения пожаров в зданиях из-за перегрева нулевых проводников, сечение которых составляло 25 или 50 % фазного провода.

6) При постоянном протекании токов нулевой последовательности через заземлители последние высушиваются, а их сопротивление увеличивается. Это отрицательно воздействует на работу систем релейной защиты и железнодорожной блокировки, что может привести к очень тяжелым последствиям.

7) Несимметрия напряжений значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей из-за значительного увеличения пульсации выпрямленного напряжения, ухудшаются условия работы систем импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

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

Ответственность и меры компенсации

Управление улучшением качества должно базироваться на организации, планировании и измерении. Кроме того, необходим анализ деятельности, связанной с улучшением качества.

Организация улучшения качества учитывает возможности улучшения качества как вертикально, внутри организационной структуры, так и горизонтально, в процессах, выходящих за рамки организационных структур. Другими словами, следует помнить, что электрическая энергия, производимая на электростанциях, является промышленным продуктом, передача которого осуществляется при помощи электрических сетей. Как и любой продукт, электрическая энергия, передаваемая потребителю, должна иметь строго определённое качество. А так как отличительной чертой электроэнергии является процесс её доставки (реализация заказа на поставку происходит в момент включения потребителя), то ответственность за качество продукта должны нести как поставщик (энергоснабжающая организация), так и потребитель. Разделение зоны ответственности за качество продукта (электроэнергии) является обязательным условием при разработке мероприятий по улучшению качества. Применительно к сельским сетям 0,38 кВ процесс улучшения качества электрической энергии по показателям несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности в большей степени согласуется с горизонтальной составляющей, выходящей за рамки организационных границ. Это обусловлено объективностью существования несимметрии токов в сети 0,38 кВ и может быть реализовано комплексом мероприятий по улучшению качества электрической энергии, в частности мероприятий, направленных на уменьшение симметричных составляющих токов обратной и, в большей степени, нулевой последовательности, т.е. к снижению неслучайной и вероятностной несимметрий.   

Таким образом, одной из основных причин ухудшения качества, увеличения потерь электрической энергии и снижения надёжности электроснабжения является несимметрия фазных токов, как первопричина возникновения несимметрий напряжений.

Это обуславливает необходимость использования специальных мероприятий, направленных на снижение несимметрии токов в распределительных сетях 0,38 кВ.

В ГОСТе указывается, что ответственность за нарушение норм по этим  показателям лежит на потребителях с несимметричной нагрузкой.
Снижение несимметрии напряжения достигается либо уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательности, либо снижением уровней этих токов. Снижение систематической несимметрии в сетях низкого напряжения осуществляется рациональным распределением однофазных нагрузок между фазами с таким расчетом, чтобы сопротивления этих нагрузок были равны между собой. 

Если несимметрия напряжения не может быть уменьшена путем схемных решений, то применяют симметрирующие устройства (СУ). Для снижения несимметрии, которая является результатом случайных процессов, применяются автоматические СУ, которые состоят из конденсаторов и реакторов, собранных в параллельные группы и подключаемых в зависимости от изменения тока или напряжения обратной последовательности. Разработан ряд СУ на базе трансформаторов, например, трансформаторов с вращающимся магнитным полем, представляющих собой несимметричную нагрузку или позволяющих осуществлять пофазное регулирование напряжения.

 

 

Электроприемников 3 категории по уровню надежности электроснабжения. Требования к устройствам АВР.

К потребителям 3-й категории надёжности относятся все те потребители, не попавшие под определение потребителей 1-й и 2-й категорий. Для них допустимы перерывы в электроснабжении на время, необходимое для ремонта или замены повреждённого элемента системы электроснабжения, но не более 1 суток.

1 категория. К ним относят потребители, перерыв в электроснабжении которых влечёт за собой:

- опасность для жизни людей;

- наносит значительный ущерб хозяйственной деятельности;

- вызывает повреждение оборудования и массовый брак продукции;

- приводит к расстройству сложных технологических процессов;

- приводит к нарушению особо важных элементов городского и сельского хозяйства.

Перерыв электроснабжения таких потребителей допускается только на время автоматического включения резервного питания. Поэтому все потребители 1-й категории надёжности обязательно должны получать питание от 2-х независимых источников питания. При выборе независимых, взаимно резервируемых источников питания, являющихся объектами энергосистемы, следует учитывать вероятность одновременного кратковременного снижения или полного исчезновения напряжения на время действия релейной защиты и автоматики при повреждениях в электрической части энергосистемы.

Для электроснабжения особой группы электроприёмников 1-й категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания

При необходимости допускается резервирование от дизельных электростанций, аккумуляторных батарей, перемычек с пункта АВР.

При невозможности по местным условиям осуществлять питание электроприемников от двух независимых источников, допускается, по согласованию с министерством (ведомством) — заказчиком проектно-сметной документации, осуществлять питание их от одного источника: от разных трансформаторов двухтрансформаторной или от двух близлежащих однотрансформаторных подстанций, подключенных к разным питающим линиям, проложенным по разным трассам, с устройством автоматического ввода резерва (АВР), как правило, на стороне низкого напряжения.

Для электроприемников I категории надежности электроснабжения, имеющих включаемый автоматически технологический резерв (при наличии одного рабочего и одного резервного насосов), устройство АВР не требуется.

В случае питания электроприемников I категории от резервного ввода допускается при необходимости обеспечивать электропитание указанных электроприемников за счет отключения на объекте электроприемников II и III категорий надежности электроснабжения.

   Место размещения устройства АВР (централизовано на вводах установки или децентрализовано у электроприемников I категории надежности электроснабжения) — определяется в зависимости от взаиморасположения и условий прокладки питающих линий до удаленных электроприемников.

2-я категория потребителей характеризуется тем, что перерыв в их электроснабжении сопровождается:

- массовым недоотпуском продукции;

- простоями механизмов, рабочих и служащих;

- нарушением нормальной жизнедеятельности значительного количества людей.

Для этих потребителей перерыв в электроснабжении, включая плановые отключения, не должен превышать 2 часов. Следует отметить, что плановые отключения не допускаются в часы работы ответственных потребителей.

Потребители этой категории надёжности также должны иметь независимый резервный источник питания. Вместе с этим допускается питание потребителей 2-й категории по одной линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 6-10 кВ, но расщеплённой не менее, чем на две линии, присоединяемых через самостоятельный разъединитель.

К потребителям 3-й категории надёжности относятся все те потребители, не попавшие под определение потребителей 1-й и 2-й категорий. Для них допустимы перерывы в электроснабжении на время, необходимое для ремонта или замены повреждённого элемента системы электроснабжения, но не более 1 суток.

  2-й фактор – это надёжность элементов электрической сети. Элементом сети, с точки зрения надёжности электроснабжения, называется объект, надёжность которого изучается независимо от надёжности составляющих его частей. Элементом сети могут быть: ВЛ электропередачи, кабельная линия электропередачи, ячейки распределительных устройств, трансформаторы, автоматика, коммутационная аппаратура, релейная защита и т.п.

     Надёжность любого из этих элементов (элементов i-го вида) характеризуется следующими четырьмя показателями надёжности:

- частота отказов;

- частота преднамеренных отключений;

- среднее время восстановления;

- среднее время преднамеренного отключения,

преднамеренных отключений элементов i-го вида.

При исследовании уровня надёжности электроснабжения в различных регионах Российской Федерации большое значение имеет накопление статистического материала наблюдений за изменением показателей надёжности в течение ряда лет. Это позволяет осуществлять построение всевозможных прогностических ситуационных моделей, что имеет большое значение при проектировании развития уровня электроснабжения на перспективу.

Так, например, по исследованиям, проведённым во ВНИПТИМЭСХ [20], к основным причинам аварийных повреждений относятся: атмосферные воздействия (18%); повреждения линейной изоляции (14%); ''схлёст'' проводов (13%); обрыв проводов (11%) и др. Анализ времени устранения повреждений проведен на основе обработки 1707 случаев. Поток отказов ВЛ-10 кВ за 1990-1997 гг. имеет тенденцию к росту, а его оценка показала, что при уровне надёжности а = 0,95, он находится в пределах от 8 до 24 1/г. на 100 км линии.

Наибольшая частота отказов приходится на зимний период года. Это связано с ростом в этот период гололёдно-ветровых нагрузок и увеличением числа обрывов проводов распределительных линий. Характер изменения потока отказов, по данным Зерноградского РЭС, в течение суток свидетельствует о неравномерности их распределения во времени суток. Наименьший уровень аварийных повреждений ВЛ-10 кВ соответствует ночному периоду, наибольший – дневному. Характер их распределения аналогичен типовому графику нагрузок энергосистемы, что свидетельствует об их тесной корреляционной связи. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о целесообразности дублирования питания потребителей автономными энергоисточниками на участках ВЛ-0,38 кВ в периоды значительной загрузки энергосистемы. Если рассматривать конкретные элементы электрической сети, то их показатели надёжности определяются путём умножения заранее определённой удельной величины на соответствующие сокращаемые показатели. Около 35% отказов устраняются за первые 0,5 ч. и половина - в течение 6 ч. с момента возникновения аварийного отключения распределительных линий. В интервале 6...24 ч. устраняется 12% повреждений. На основе статистической обработки получены данные о том, что среднее время ликвидации одного отключения t = 3 ± 0, 2 ч. при уровне надёжности, а =0,95. Многолетние (1993-1998 гг.) данные показали [20], что время восстановления ВЛ-10 кВ на одно повреждение имеет тенденцию к увеличению из-за частых аварийных отключений. С учетом же отказов в ВЛ-0,38 кВ продолжительность аварийных перерывов в электроснабжении сельскохозяйственных потребителей еще более возрастает и не отвечает нормативным требованиям его надежности.

Надежность электроснабжения потребителей непосредственно связана с аварийными отключениями распределительных сетей, наибольшее число которых приходится на воздушные линии (ВЛ) напряжением 10 кВ. Ввиду значительной протяженности они определяют в целом этот показатель электроснабжения. Сведения об уровне аварийности ВЛ позволяют не только более эффективно управлять надежностью систем централизованного электроснабжения, но и разрабатывать рекомендации по экономичным способам энергетического резервирования ответственных потребителей.

Например, частоту отказов для ВЛ определяют путём умножения удельной (заранее определённой для одного км длины) частоты отказов на длину рассматриваемого участка линии:.

При определении среднего времени ремонта из-за различных повреждений необходимо учитывать, кроме времени собственно ремонта, так же и время, затрачиваемое ремонтной бригадой на прибытие к месту аварии и отыскание мест повреждения.

При определении частоты отказов коммутационной аппаратуры, релейной защиты и автоматики, следует учитывать, что устройства релейной защиты и коммутационные устройства могут срабатывать и при отсутствии заявок на срабатывание (т.е. когда поступает заявка на срабатывание другого устройства). Такие отказы называют неселективными или ложными срабатываниями (когда заявок на срабатывание нет вообще).

3-й фактор. Оснащённость сети средствами управления.

Надёжность работы распределительной сети в значительной мере определяется возможностями управления ею в режимах, наступающих после возникновения многофазного устойчивого повреждения. При этом, используемые средства для управления сетью в этом режиме и называются средствами управления. К ним можно отнести [21]: коммутационную аппаратуру, релейную защиту, автоматику, телемеханику, устройства обработки информации и осуществления управляющих воздействий в коммутационной сети.

Все устройства управления можно классифицировать по их функциональному назначению на следующие три типа:

- устройства выделения повреждения;

- устройства обнаружения повреждения;

- устройства обработки информации и принятия решений по управлению послеаварийным режимом.

К первой группе средств управления можно отнести коммутационные аппараты, обеспечивающие разделение линии (сети) на локальные участки, а также устройства АВР (со всеми связями), обеспечивающие восстановление питания отключившихся нагрузок.

Вторая группа устройств отвечает за информативную обеспеченность положения коммутационного аппарата в сети на питающую подстанцию или прямо диспетчеру сети района.

Роль третьей группы могут выполнять цифровые аналогово-вычислительные комплексы, осуществляющие выработку и реализацию выполнения решения на основе полученной информации, то есть автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) районом электрических сетей. Следует отметить, что в настоящее время эту функцию, в основном, выполняют диспетчеры сетей.

 

АВР

В соответствии с ПУЭ раздел 3.3.30 автоматический ввод резерва (АВР) нужно всегда предусматривать, если отключение рабочего источника приводит к полному прекращению электроснабжения или ограничению мощности потребителей.

В сетях на напряжение 6-35 кВ питание потребителей в основном осуществляется по одностороннему питанию при наличии нескольких источников по так называемому радиально-секционированному принципу, то есть электроснабжение потребителей в этом случае осуществляется по рабочей цепи (одиночный трансформатор, одиночная линия или секция шин), а при ее отключении — по резервной.

Преимущество одностороннего питания заключается в снижении токов к. з., удешевлении схем электроснабжения и оборудования, упрощении релейной защиты. Поэтому оно широко используется в распределительных сетях 6—35 кВ. А применение автоматического ввода резерва устраняет главный недостаток такого питания – меньшую надежность электроснабжения потребителей.

Итак, несмотря на большое разнообразие устройств АВР, все они должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Устройства АВР должны приходить в действие при потере питания от основного источника по любой причине, включая к. з. на шинах потребителя. Исключение составляет тот случай, когда нагрузка отключается действием устройств автоматической частотной разгрузки — АЧР и необходим запрет действия устройств АВР.

2. Включение резервного источника питания должно осуществляться только после отключения выключателя на вводе от рабочего источника питания. Выполнив — это требование мы исключаем:

· неуспешное включение резервного источника на повреждение, самоустраняющееся после снятия напряжения;

· включение резервного источника на к. з. в неотключившемся рабочем источнике;

· возможное несинхронное включение двух источников питания.

3. После отключения рабочего ввода, устройства АВР должны сразу включать резервный источник питания, для того чтобы уменьшить длительность перерыва питания потребителей.

4. Действие устройств АВР должно быть однократным, во избежания многократного включения резервного источника на неустранившееся к. з.

5. При осуществлении АВР необходимо предусматривать ускорение действия релейной защиты резервного источника при его включении на неустранившееся к.з., что особенно важно в том случае, когда имеется неявный резерв.

6. При выполнении АВР должны обеспечиваться нормальные условия самозапуска электродвигателей.

Если же самозапуск не обеспечивается или недопустимо затягивается, то необходимо предусматривать автоматическую разгрузку за счет отключения неответственных потребителей с последующим их АПВ.

Вот в принципе и все требования, которые Вы должны учитывать при разработке схем АВР на напряжение 6-35 кВ. Также советую Вам, перед началом разработки схемы АВР ознакомится с ПУЭ разделами 3.3.30-3.3.42.