CC BY
91
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№11
2001 р.
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 621.311
Жежеленко И.В.* ПРОБЛЕМА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
Рассмотрен ряд вопросов проблемы качества электроэнергии в современных системах электроснабжения предприятий. Проведен анализ качества электроэнергии в Украине и за рубежом. Поставлены основные задачи дальнейшего развития вопросов расчета и нормализации качества электроэнергии.
Сегодня нет необходимости доказывать значимость проблемы качества электроэнергии. Наряду с проблемой энергоресурсосбережения, она относится к числу важнейших проблем современной электроэнергетики.
Круг вопросов, составляющих содержание этой проблемы, достаточно обширен и, в основном, сводится к следующим: оценке электромагнитной совместимости источников электромагнитных помех и других нагрузок, т.е. влиянию низкочастотных электромагнитных помех на электроустановки и оценке возникающего при этом экономического ущерба; оценке значений электромагнитных помех, генерируемых различными нелинейными и резкопеременными нагрузками, прогнозирование их значений в различных узлах систем электроснабжения, и, наконец, минимизации их уровней до значений, допустимых соответствующими стандартами, в отдельных случаях - с использованием оптимизационных решений.
Таким образом, говоря о проблеме КЭ, мы можем выделить ее основные аспекты: нормативный, расчетный, технический и экономический. В последнее десятилетие существенное развитие получают экономический и правовой аспекты проблемы. Это позволяет сделать заключение о том, что проблема качества электроэнергии может рассматриваться как самостоятельная научная дисциплина, самостоятельная отрасль знаний, сформировавшаяся в последние десятилетия прошедшего века наряду с такими новыми дисциплинами, как логистика, мехатро-ника, экология и др.
Наиболее высокую значимость проблемы КЭ иллюстрирует ее экономический аспект. Так, по последним данным, опубликованным в американских периодических журналах в 2000 году, ежегодный экономический ущерб в США, обусловленный низким качеством электроэнергии, составляет (по различным публикациям) 30-50 млрд.дол./год за счет отрицательного влияния, главным образом высших гармоник, а также несимметрии и колебаний амплитуды напряжения. Широкие исследования, проведенные в Советском Союзе к началу 90-х годов, позволили оценить суммарный ущерб величиной более 10 млрд.дол/год. Эта цифра меньше, чем значение ущерба от низкого качества электроэнергии электроэнергетики США, поскольку уровень использования нелинейных нагрузок, в первую очередь, устройств силовой преобразовательной техники, в 80-е годы в СССР был значительно ниже, чем в США в 2000 году. Исследования КЭ и оценка ущерба в промышленности СССР были выполнены по заданию тогдашнего Госкомитета по науке и технике кафедрой электроснабжения ПГТУ.
Диапазоны изменений показателей качества электроэнергии на предприятиях различных отраслей в России и Украине велики: в большинстве случаев они выходят за пределы допустимых по нормам стандарта ГОСТ 13109-97 и европейского стандарта. Рост установленной мощности нелинейных, а также несимметричных и резкопеременных нагрузок даже в развитых странах опережает внедрение мероприятий по минимизации генерируемых ими электромагнитных помех. Например, в низковольтных распределительных сетях Швейцарии содержание гармоник в течение 12 лет возросло на 30 %.
ПГТУ, акад., д-р техн.наук, проф.
Суммарная установленная мощность управляемых тиристорных преобразователей на листовых и сортовых прокатных станах достигает 1000 МВт, на алюминиевых комбинатах -более 1000 МВт. Вновь сооружаемые электродуговые сталеплавильные печи имеют печные трансформаторы мощностью 200 МВ-А. Даже эти немногочисленные примеры позволяют судить о масштабах источников несинусоидальности, колебаний и несимметрии напряжения.
Экономический ущерб, обусловленный пониженным качеством электроэнергии, имеет две составляющие: электромагнитную и технологическую. Электромагнитная составляющая определяется, в основном, увеличением потерь активной мощности и соответствующим сокращением срока службы изоляции электрооборудования. При этом ущерб, связанный с несинусоидальностью, несимметрией и колебаниями напряжения, будет равен нулю при синусоидальности и симметрии системы линейных напряжений и отсутствия колебаний напряжения в сети; при отклонениях напряжения ущерб принимается равным нулю при напряжении, равном оптимальному. Технологическая составляющая ущерба вызывается влиянием качества электроэнергии на производительность технологических установок и себестоимость выпускаемой продукции, а также частичной или полной остановки производства.
Увеличение потерь электроэнергии за счет ее низкого качества может достигать 15-20%. Потери электроэнергии в электрических сетях Минтопливоэнерго Украины по официальным данным за 1999 и 2000 годы составляют около 20%. Доля потерь, обусловленных низким качеством электроэнергии, колеблется в пределах 2,5-3 %.
Дополнительные потери активной энергии в энергосистемах Западной Сибири, где велик удельный вес несимметричной и нелинейной нагрузки, составляет 5-7,5 %. Сокращение срока службы изоляции электрооборудования обусловлено дополнительным нагревом и необратимыми ионизационными процессами, вызванными пониженным ее качеством. Следующий пример иллюстрирует последствия этого явления на примере, заимствованном из январского номера журнала IEEE за 2000 год. В настоящее время в США установлено более 700 млн. электродвигателей. При среднем сроке службы двигателя 30 лет требуется замена двигателей в объеме 23 млн. единиц в год. При существующем качестве электроэнергии наблюдается сокращение срока службы двигателя на 2 года, что приводит к необходимости дополнительной замены трех млн. двигателей в год.
При аналогичных условиях по уровням показателей качества электроэнергии на современных металлургических заводах, парк электродвигателей на которых составляет lOVlO5 единиц, силовых трансформаторов 102-^103, понадобится дополнительная замена от 40 до 400 электродвигателей и 2-^20 силовых трансформаторов в год.
Следует отметить, что фактически сокращение срока службы изоляции будет больше рассчитанного только с учетом нагрева, поскольку имеют место ионизационные процессы в изоляции; их влияние также поддается количественной оценке.
Существует априорно очевидная связь между качеством электроэнергии и надежностью электроснабжения. Основной причиной снижения надежности функционирования систем электроснабжения является именно ускоренное старение изоляции; математически это выражается в возрастании интенсивности потока отказов с течением времени. Например, измерения состояния изоляции в кабельных сетях 10 кВ двух идентичных толстолистовых прокатных станов, один из которых имел приводы по системе генератор-двигатель, другой - по системе тири-сторный преобразователь-двигатель показали, что во втором случае состояние изоляции оказалось значительно хуже, имела место повышенная аварийность в кабельных сетях, приводившая к нарушениям технологического процесса. Ущерб от перерывов электроснабжения достигает весьма больших величин. Так, в США по данным 2000 года, ущерб от перерыва электроснабжения составил 50 млрд. дол/год и прогнозируется рост этой цифры.
На целлюлозно-бумажном комбинате, по тем же данным, остановка технологического процесса приводит к потере порядка 250 тыс.дол. Аналогичные цифры характеризуют ущерб от перерывов электроснабжения таких крупных комбинатов России как Архангельский (156 тыс. дол), Котласский (162 тыс.дол), Сыктывкарский (108 тыс. дол). На заводе интегрированных микросхем в штате Аризона, США. 20-минунтный простой приводит к браку продукции на сумму 5-10 млн.дол., что вынудило построить собственную электростанцию мощностью 13 МВт.
Провалы напряжения также часто приводят к перерывам электроснабжения и, соответственно, к возникновению технологического ущерба.
Провалы напряжения возникают в результате отключений, как правило, воздушных линий и последующего автоматического повторного включения (однофазного или иного), а также в результате включения мощных электроприемников и других причин. Провалы негативно влияют на работу электроприемников и, прежде всего, помехочувствительных элементов, входящих в состав систем управления и контроля. В большинстве случаев они выполняются на базе микропроцессорной техники либо использования ЭВМ. Воздействие провалов, в особенности в сочетании с высшими гармониками, в ряде случаев приводит не только к локальным аварийным ситуациям, но и к полной остановке производства. Особую опасность провалы напряжения представляют для производств с использованием поточных линий (например, в машиностроении). Например, на заводе химволокна в Латвии ежегодный ущерб от отказов технологического оборудования в результате провалов напряжения составляет 617 тыс.дол. При этом каждый провал напряжения приводит в среднем к отказу 20 единиц технологического оборудования. Аналогичная ситуация имела место на автомобильном заводе «Москвич»; в грозовой сезон автоматизированные поточные линии фирмы «Рено» с автоматикой фирмы «Сименс» простаивали по несколько часов в сутки. Характерно, что увеличение мощности электроприемников и количества воздушных линий, питающих предприятие, снижает надежность электроснабжения. Это объясняется тем, что несколько снижается глубина провалов, но увеличивается их количество за счет расширения зоны влияния. Так, например, при подключении к районной подстанции, питающей завод химволокна, дополнительной воздушной линии 330 кВ среднегодовое число провалов напряжения на подстанции завода увеличилось за год на 18%.
Главными факторами, определяющими влияние провалов напряжения на устойчивость помехочуствительных устройств (т.е. отсутствие ложного срабатывания), являются глубина провала, (в меньшей мере длительность), состав нагрузки сети предприятия и уровень гармоник. Следовательно, нормировать необходимо допустимое значение некоторой функции этих параметров.
Нормирование только продолжительности провала, как это сделано в стандарте стран СНГ ГОСТ 13109-97, некорректно.
В последнее десятилетие в электротехнической практике рассматривается вопрос об интергармониках - гармонических колебаниях с частотами не кратными частоте питающей сети. В амплитудно-частотном спектре они находятся между каноническими гармониками либо каноническими и неканоническими.
Возникновение интергармоник в ряде случаев обусловлено модуляцией несинусоидальных процессов, кривые которых содержат только кратные гармоники, а также низкочастотными колебаниями, характерными для сетей с резкопеременными нелинейными нагрузками, такими, как электродуговые сталеплавильные печи, сварочные установки, частотно-регулируемые источники реактивной мощности, электроприводы с частотным регулированием скорости вращения. Интергармоники также являются причиной появления дополнительных потерь активной энергии, ускоренного старения изоляции и в целом снижения надежности электроснабжения. Спектры интергармоник могут быть получены по известным характеристикам корреляционных функций токов резкопеременных нагрузок.
Расчет показывает, что в цехах с большим удельным весом сварочных агрегатов потери электроэнергии за счет интергармоник достигает 3% величины потерь от канонических гармоник.
Расчетно-аналитический аспект проблемы качества электроэнергии в системах электроснабжения промпредприятий имеет ряд специфических особенностей, хотя общепринятое положение - расчет на основании линейных (или линеаризированных) схем замещения, в которых источник электромагнитной помехи представляется в виде источника тока или источника ЭДС - остается неизменным.
Практика выполнения расчетов несинусоидальных режимов с помощью компьютеров позволяет заключить, что целесообразным является использование метода узловых напряжений. Расчеты выполняются как в детерминированной, так и в вероятностной постановке.
Важным является вопрос о точности (или погрешности) расчетов, ибо это во многом определяет методику расчетов и их объем. Возможности современной компьютерной техники позволяют производить расчет в весьма сложных энергосистемах с учетом максимального числа влияющих факторов, однако в этом случае высокая точность расчетов далеко не всегда достигается в связи с неполнотой и некорректностью исходной информации. Не всегда высокая
точность расчета, скажем, с погрешностью до 5 %, вызывается необходимостью. Признание этих фактов обусловливает целесообразность применения достаточно простых методов расчета, в том числе при машинном проектировании. Так, в национальной электротехнической компании Франции ЕсШ для расчета несинусоидальных режимов с целью выбора технических средств для снижения уровней гармоник используются упрощенные методики: активное сопротивление определяется по значению потребляемой активной мощности и принимается не зависимо от частоты, фазы токов гармоник источников полагают совпадающими и т.д.
На основании аналитических выражений для математического ожидания и дисперсии погрешности определения коэффициента несинусоидальности были вычислены их значения для сетей 4 металлургических и 3 химических предприятий. Результаты: М[Дкнс]=0,23-^0,32; <^дкнс~ 0,1, свидетельствуют о том, что погрешность расчетов может значительно превосходить 5 %. Однако такая точность может быть достигнута и с помощью известных упрощенных методик, исключающих необходимость прибегать к учету максимального числа влияющих факторов; например, при расчете несинусоидальных режимов можно полагать амплитудно-частотную характеристику узла сети промпредприятия линейной в диапазоне частот до 650 Гц, а сопротивления элементов сети определять по усредненным значениям.
В практике расчета несинусоидальных режимов принято частотную характеристику активных сопротивлений элементов сети принимать из условий резкого проявления поверхностного эффекта. При этом, как свидетельствует практика, напряжения и токи гармоник могут быть определены с достаточной точностью для сетей 6-10 кВ и не всегда удовлетворительной -для сетей с напряжением до 1 кВ.
Однако оценки этих параметров в резонансных режимах и величин потерь, а также других аспектов влияния гармоник на электрооборудование требуют знания достаточно точных значений активных сопротивлений. Они должны определяться с учетом не только поверхностного эффекта, но и эффекта близости, влияния вихревых токов, распределенности параметров и других факторов.
При расчете несинусоидальных режимов в промышленных электрических сетях амплитудно-частотные характеристики активных сопротивлений удобно представлять с помощью имитирующих последовательно-параллельных активно-индуктивных цепей. Для определения их параметров могут использоваться методы синтеза электрических цепей и другие в сочетании с методом наименьших квадратов.
Эквивалентное значение активного сопротивления в узле сети можно найти по схеме замещения, состоящей только из активных сопротивлений, без учета реактивных. Для частот до 650 Гц погрешность расчета не превышает 7%.
Особого внимания заслуживает вопрос учета амплитудно-частотных характеристик питающей энергосистемы в узле подключения промышленных нагрузок. Эта характеристика может считаться линейной, если к шинам 6-10 кВ предприятия подключена ТЭЦ (блок-станция) или к узлу сети 110 кВ и выше подключена мощная электростанция. Линейной в диапазоне до 1000 Гц эта характеристика будет и в случае, если в сети 6-10 кВ имеется мощный парк синхронных и асинхронных электродвигателей с установленной мощностью не менее 100 МВ-А. В остальных случаях учет амплитудно-частотной характеристики обязателен.
Следует сказать, что методы расчета этих характеристик входных сопротивлений узлов разработаны достаточно подробно. При этом в случае сложной разветвленной сети энергосистемы, в первом приближении можно ограничиться учетом примыкающих линий и их нагрузок. Вообще же вопрос о том, какую часть сети можно не учитывать (отсечь) подлежит дальнейшей разработке.
Распределенность параметров высоковольтных воздушных линий с погрешностью не более 1 % можно не учитывать при длине ее 270 км и менее.
Практика эксплуатации свидетельствует о том, что в электрических сетях некоторых промышленных предприятий, на которых нет нелинейных нагрузок, появляются значительные гармоники напряжения и тока. Это наводит на мысль, что теорема Фостера о чередовании нулей и полюсов, справедливая для входных сопротивлений, остается в силе и для взаимных сопротивлений различных узлов или ветвей электрической сети. Значит, если в одном из узлов электрической сети находится источник гармоник, а частотная характеристика взаимного со-
противления между этими узлами имеет минимальное значение на частоте какой-либо гармоники, то во втором узле электрической сети появится напряжение этой гармоники.
Теорема Фостера для АЧХ взаимных сопротивлений доказана. Это объясняет возможность появления минимумов частотных характеристик взаимных сопротивлений и возникновения токов и напряжений высших гармоник в различных узлах электрической сети при отсутствии в них нелинейных нагрузок. Так, в электрических сетях некоторых предприятий с практически линейной нагрузкой (электродвигатели и трансформаторы) наблюдались резонансные режимы на частотах гармоник 7-11-го порядков, следствием которых были повреждения батарей конденсаторов. Источники гармоник (вентильные преобразователи электролизных установок, электродуговые сталеплавильные печи) находились на расстоянии 50-100 км от этих предприятий. Известны случаи распространения гармоник, генерируемых преобразователями Братского алюминиевого завода, на расстояние более 400 км. Это легко проиллюстрировать на примере частотных характеристик, представленных на рисунке.
Практика работы в энергохозяйстве предприятия подсказала важность вопроса определения гармоник тока в компенсированных сетях 6-10 кВ при однофазных замыканиях на землю. В этом случае, в особенности при однофазном замыкании в реактированных кабельных линиях, возможно появление в токе гармоник, значительно превышающих ток основной частоты, как правило, 7-й гармоники; в нереактированных сетях такое явление имеет место на частотах гармоник 11-13-го порядков. Известны случаи, когда токи гармоник достигали величины > 100 А; при этом вследствие прожигания кабеля однофазные замыкания переходили в междуфазные.
Эти явления исключаются при наличии фильтров, однако, отключение фильтра приводит к их появлению. Кстати, это дает основание заключить, что потоки отказов при несинусоидальных режимах в общем случае оказываются нестационарными, неординарными и немарковскими; математическая модель надежности, основанная на использовании простейших потоков, неприемлема.
Фильтрация высших гармоник путем подключения фильтрокомпенсирующих устройств к узлам сети, к которым подключены источники гармоник, сегодня имеют преимущественное распространение. Однако в разветвленных распределительных сетях с несколькими источниками гармоник такое решение может оказаться весьма дорогим; степень компенсации реактивной мощности может оказаться выше требуемой.
Централизованная коррекция несинусоидальных режимов, рекомендуемая одной из последних сессий СИГРЭ, в ряде случаев может оказаться более целесообразной в экономическом отношении. Идея такой фильтрации гармоник заключается в размещении одного или нескольких фильтрокомпенсирующих устройств на одной из подстанций распределительной сети, обеспечивающих снижение несинусоидальности до допустимых значений во всех узлах сети.
Соответствующая методика расчетов, внедренная в проектную практику, реализуется с помощью ЭВМ; разработана специальная программа расчетов.
Использование централизованной коррекции несинусоидальных режимов в сравнении с локальной - у каждого источника гармоник - обеспечивает в конкретных случаях снижение затрат на 15-25 %.
Расчет несимметричных режимов достаточно традиционен. До последнего времени не было ясности с определением значения сопротивления обратной последовательности вентильных преобразователей. Строгий подход, основанный на анализе электромагнитных процессов в преобразователе при несимметричных режимах, дал удвоенное значение сопротивления прямой последовательности.
Следует отметить, что непосредственный пересчет значений коэффициента несимметрии для узлов сети, если известно его значение в узле с источником несимметрии, невозможен. Необходимо определить задающий ток обратной последовательности - источник тока обратной последовательности - и вести расчет известными методами. Расчет аналогичен случаю расчета гармоник (здесь также удобен метод узловых потенциалов), более того - на практике используется единая программа расчетов.
Расчет амплитуды колебаний напряжения и оценка допустимости их в узлах сети предприятия в соответствии с принятыми в настоящее время подходами, основанными на имитировании воздействия колебаний светового потока на принятую модель органа зрения человека; анализ колебаний напряжения различной формы кривых позволяет оценить степень этого воз-
действия - интенсивность или дозу фликера - только в случае, если кривая колебания напряжения и ее параметры известны с достаточной точностью, что отнюдь не всегда имеет место в проектной практике, поэтому прогноз ожидаемого уровня колебаний весьма затруднен.
В связи с этим в настоящее время ведется разработка методов оценки интенсивности фликера для ряда характерных промышленных электроприемников с учетом режима их работы - методов, основанных на положениях повсеместно принятых норм европейского стандарта. Необходимы также методы оценки интенсивности фликера в узлах сети, где нет источников колебаний напряжения - резкопеременных детерминированных или случайных нагрузок; методы, позволяющие рассчитывать параметры корректирующих устройств, предназначенных для снижения уровня колебаний напряжения до допустимых значений.
Такая методика на сегодняшний день имеется, - она разработана применительно к электрическим сетям прокатных станов, позволяет оценить интенсивность фликера в узлах сети прокатного стана и смежных и выбрать параметры статического компенсатора.
Опуская вопросы мониторинга в проблеме качества электроэнергии, перейдем к вопросам коррекции показателей, характеризующих качество электроэнергии. Для снижения уровней ПКЭ на сегодняшний день разработаны и используются методы и технические средства, многие из которых можно считать традиционными. Главная особенность таких средств - это их многофункциональность, т.е. позитивное воздействие на несколько параметров систем электроснабжения. Так, фильтрокомпенсирующие устройства на базе простых режекторных крупных или сложных комбинированных фильтров обеспечивает фильтрацию высших гармоник и компенсацию реактивной мощности. Еще более широкими возможностями обладают активные и гибридные фильтры, с помощью которых снижается также уровень интергармоник.
Симметрокомпенсирующие устройства обеспечивают снижение уровня гармоник, симметрирование системы линейных напряжений и компенсацию реактивной мощности. Все эти устройства обеспечивают также некоторую компенсацию отклонений напряжения основной частоты.
Быстродействующие статические компенсаторы снижают уровень колебаний напряжения, но одновременно улучшают гармонический состав напряжения сети и снижают несимметрию.
Этих примеров достаточно для иллюстрации положения о многофункциональности современных технических средств улучшения качества электроэнергии.
Несимметрию напряжений, обусловленную наличием несимметричных электроприемников, можно ограничить до допустимых значений как с помощью схемных решений, так и путем применения специальных симметрирующих устройств. При соотношении мощностей короткого замыкания в узле сети и однофазной нагрузки более 50, коэффициент обратной последовательности напряжений не превышает 2 %. Поэтому целесообразно присоединять электроприемники, вызывающие несимметрию, к узлам сети, где мощность короткого замыкания удовлетворяет этому соотношению. Например, мощные однофазные электроприемники подключаются через отдельные трансформаторы к шинам 110-220 кВ, где уровень мощности к.з. достаточно велик. В ряде случаев снижение несимметрии напряжений может быть обеспечено рациональным распределением нагрузок. При невозможности обеспечить требуемый уровень несимметрии напряжений с помощью схемных решений применяют симметрирующие устройства. Они выполняются неуправляемыми или управляемыми в зависимости от особенностей графика нагрузки. Известно большое число схем симметрирующих устройств, которые имеют как электрические, так и магнитные связи между элементами. Каждое конкретное схемное и техническое решение имеет определенные достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Управляемые симметрирующие устройства могут иметь как непрерывное (аналоговое), так и ступенчатое (дискретное) управление.
Конденсаторные батареи корректирующих устройств набираются из нескольких групп, одна из которых подключена постоянно, а другие - переменно. Переключения осуществляются с помощью контакторов или тиристорных ключей. Такое устройство, разработанное Институтом электродинамики Украинской Академии Наук, было установлено на металлургическом комбинате в Мариуполе. В настоящее время находит применение плавное регулирование емкостных элементов путем подключения параллельно конденсаторам реакторов, управляемых тиристорами.
Для симметрирования системы линейных напряжений при однофазных и двух- и трехфазных несимметричных нагрузках широко применяются батареи конденсаторов с неодинаковыми мощностями фаз, используемые для компенсации реактивной мощности в сети.
Фильтросимметрирующие устройства представляют собой фильтры ВГ, собранные на базе БК симметрирующего устройства, - так называемые несимметричные фильтры. Вопрос снижения уровней гармоник с использованием фильтрокомпенсирующих устройств в последние десятилетия решен в теоретическом и прикладном плане достаточно подробно. Нами разработана серия таких устройств для сетей 10 кВ, которые выпускаются в России, и для сетей 0,4 кВ, а также практические рекомендации для проектных организаций, в том числе по применению ненагруженных фильтров.
Несомненно, важной проблемой является разработка и экономическое обоснование использования мощных активных и гибридных фильтров в промышленных электрических сетях.
Для разделения быстропеременной и спокойной нагрузок могут использоваться различные схемы и устройства. Наиболее простой является схема, основанная на использовании сдвоенного реактора: спокойные и быстропеременные нагрузки подключаются к различным секциям (обмоткам) реактора. Применение этого способа для подключения дуговых печей и мощных электродвигателей позволяет в ряде случаев обеспечить на шинах «спокойной» нагрузки колебания, допустимые стандартом.
Для резкопеременных и спокойных нагрузок применяются также трансформаторы с расщепленными обмотками.
Применение установок продольной компенсации наиболее эффективно при преобладании реактивного сопротивления, а также при низких значениях коэффициента мощности. При пиковых нагрузках устройства оказываются эффективным средством уменьшения размахов изменения напряжения. Они находят значительное применение для электроснабжения сварочных установок и рудно-термических печей. Устройства продольной компенсации включаются последовательно со сварочными или печными трансформаторами, т.е. параллельно ветви намагничивания трансформатора. В образовавшемся феррорезонансном контуре при резких изменениях нагрузки, шунтировании или расшунтировании батареи возможно возникновение феррорезонанса токов и субгармонических колебаний; в этом случае возникают 8-10-кратные увеличения тока и перенапряжения на батарее с кратностью 2-2,5. Появление субгармоник может привести к возникновению субгармонического резонанса, при котором наблюдаются периодические колебания напряжения; в результате становится заметным мигание ламп, возникают периодические колебания частоты вращения роторов электродвигателей. Значительные субгармоники напряжения наблюдались в сети реверсивного прокатного стана, где была применена продольная компенсация.
Если связь системы электроснабжения прокатного стана с ТЭЦ или подстанцией завода осуществляется по протяженному шинопроводу, то при работе стана также возникают субгармонические колебания. Такие явления были нами зафиксированы в сети 10 кВ непрерывного прокатного стана, связанного с ТЭЦ шинопроводом общей длиной (с ответвлениями) около 14 км. Возникающие при этом кратковременные перенапряжения были причиной повышенной аварийности в кабельной сети.
Для борьбы с недостатками продольной компенсации практикуется ряд методов. К ним относятся применение специальных конденсаторов, допускающих кратковременные перенапряжения; использование постоянно включенных шунтирующих резисторов, сопротивления которых в несколько раз превосходят сопротивления конденсаторов при промышленной частоте; подключение параллельно конденсаторам защитных разрядников, шунтирующих конденсаторы при КЗ за ними на стороне потребителя.
В системах электроснабжения прокатных станов и мощных дуговых сталеплавильных печей преимущественное применение находят быстродействующие статические компенсаторы реактивной мощности. Компенсация колебаний напряжения осуществляется за счет компенсации набросов реактивной мощности; например, на современных станах холодной прокатки скорость набросов составляет 2000 Мвар/с.
Применение тех или иных технических средств в конкретных случаях обосновывается техническими соображениями и экономическими расчетами.
В заключение - несколько примеров решения проблем, возникших в связи с низким качеством электроэнергии.
1. На заводе полупроводниковых материалов от одного трансформатора в сети 0,4 кВ питаются 12 трехфазных печей сопротивления через тиристорные преобразователи. При последовательном включении печей включение 7-й печи вызывало автоколебания в сети 0,4 кВ, - при этом амплитуды колебаний тока превосходили допустимые по уставкам релейной защиты; трансформатор отключался. Долгое время цех работал с половинной производительностью. Решение проблемы заключалось в подключении к сети 0,4 кВ конденсатора мощностью 30 Квар, который «отсосал» гармоники 30-40-х порядков. Проникновение их в системы управления и приводило к нарушению устойчивости и появлению автоколебаний.
Отметим, что нормальная работа цеха была обеспечена при общем увеличении несинусоидальности. При включении конденсатора вырос уровень гармоник относительно низких порядков.
2. В северо-восточной Сибири на линиях 220 кВ возникали резкие повышения напряжения - до 250-260 кВ, сопровождавшиеся ростом уровней 3 и 9-й гармоник. В результате иногда имели место отключения линий. При исследовании проблемы было установлено, что неблагоприятные явления наблюдаются при магнитных бурях, во время которых вдоль меридиана появляются электромагнитные поля с градиентом 2-3 кВ/км. Линии были расположены именно вдоль меридианов и между нулевыми точками заземленных автотрансформаторов возникало напряжение порядка 400-500 В и периодом около получаса, то есть практически постоянное напряжение. Дополнительное намагничивание стали автотрансформаторов постоянным током и вызывало появление значительных гармоник, кратных трем, и все неблагоприятные последствия.
Введение емкостей в цепи заземления автотрансформаторов, - их величина выбиралась таким образом, чтобы не нарушить селективность работы защит от замыкания на землю, - позволило резко снизить уровни гармоник нулевой последовательности и практически полностью исключить неблагоприятные последствия влияния магнитных бурь.
Выводы
В настоящее время сложно говорить о приближении к коренному решению проблемы качества электроэнергии. Это станет возможным лишь при разработке экономически обоснованных норм, методов и средств минимизации уровней показателей качества электроэнергии, решения правовых вопросов проблемы, а в странах с переходной экономикой - к тому же коренного подъема экономики.
Перечень ссылок
1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. Изд-е 4-е.- М.: Энергоатомиздат, 2000,- 332 с.
2. Жежеленко И.В, Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. Изд-е 3-е.- М: Энергоатомиздат, 2000. 254 с.
Жежеленко Игорь Владимирович. Ректор ПГТУ, академик АН высшей школы Украины, д-р техн.наук, проф., завкафедрой электроснабжения промышленных предприятий, окончил Московский энергетический институт в 1954 году. Основные направления научных исследований - проблемы качества электроэнергии.
Статья поступила 30.05.2001.
