CC BY
756
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И НАДЕЖНОСТЬ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
УДК 621.3.018.3
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В.М. Степанов, И.М. Базыль
Рассмотрены задачи и практические методы, обеспечивающие эффективность фильтрации гармоник.
Ключевые слова: электроэнергия, гармоники, трансформатор, токи, показатели качества электроэнергии.
Всякое ухудшение качества электроэнергии влечёт за собой её перерасход. Такое положение справедливо и для тех случаев, когда это ухудшение лежит в пределах нормы и соответствует ГОСТ. При перерасчётах, связанных с проектированием и эксплуатацией СЭС, не учитывают потери, возникающие в устройствах, применяемых для поддержания напряжения на допустимом уровне. Так, например, для трансформаторов с устройствами РПН это потери в регулирующих устройствах.
В последнее время обращают внимание и на такой показатель качества, как отклонение частоты напряжения от номинальных значений, который также приводят к потерям электроэнергии. Производственные затраты обусловленные некачественной электроэнергией не оцениваются и не учитываются, что делать необходимо.
Проблема несинусоидальности - проблема высших гармоник -возникла в последнее время в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой, таких, как электросварка, дуговые сталеплавильные печи, неуправляемые и, особенно, управляемые вентильные преобразователи. В настоящее время проблема высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.
Несинусоидальный ток в сопротивлениях питающей сети создает несинусоидальные падения напряжения так, что даже при синусоидальной
ЭДС источника энергии в сети с выпрямительной нагрузкой имеют место несинусоидальные токи и напряжения. Таким образом, нагрузка потребляет из питающей сети искаженный ток, в состав которого входят гармоники, с частотами, превышающими основную частоту. Падения напряжения, обусловленные этими токами, вызывают искажение кривой напряжения питания, что ведет к дополнительным потерям передаваемой мощности, может нарушить работу других приемников, создает опасность возникновения резонанса и перегрузку цепей, содержащих емкости. Поэтому выпрямительную нагрузку можно рассматривать как генератор высших гармонических напряжения.
Высшие гармоники оказывают отрицательное влияние на технологический процесс и режим работы электролизеров. Наличие пульсирующего напряжения с большим содержанием высших гармоник способствует увеличению обратимых восстановительных процессов в электролите, влияет на подвижность ионов, перенос заряда и, следовательно, приводит к снижению коэффициента полезного действия электролизных установок, ухудшению качества продукции.
При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии. Наибольшие дополнительные потери активной мощности имеют место в трансформаторах, двигателях и генераторах. В ряде случаев эти потери могут привести к недопустимому перегреву обмоток электрических машин и во всех случаях приводят к дополнительным потерям электрической энергии.
При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения изоляции протекает более интенсивно, что объясняется ускорением при высоких частотах электрического поля физико-химических процессов в диэлектриках, обусловливающих их старение.
Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. В практике эксплуатации существенное значение имеет увеличение погрешностей индукционных счетчиков активной и реактивной энергии. Значения этих погрешностей существенно отражаются при учете потребления электрической энергии.
Наличие высших гармоник затрудняет и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств, вызывают сбои в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи.
Ограничение несинусоидальности напряжения с наибольшей эффективностью может быть достигнуто на стадии проектирования систем электроснабжения промышленных предприятий, но требует дополнительных затрат. Поэтому такое ограничение является технико-экономической проблемой, которую нельзя решать в отрыве от задачи компенсации реак-
Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения ...
тивной мощности. Это объясняется тем, что компенсирующие устройства с емкостными параметрами (например, конденсаторные батареи, фильтры высших гармоник) в сочетании с индуктивным сопротивлением питающей сети могут приводить к резонансу в сети на высокой частоте, и следовательно, к увеличению отдельных гармоник тока и напряжения.
|ТН0 иа
Мин за период: 1,70837’
Макс за период: 4,40925
Количество точек: 3300
Рис. 1. График показателей гармонической составляющей
на предприятии
Появление убытка от высших гармоник обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время основными мерами по уменьшению влияния высших гармоник напряжения на элементы электроустановок являются:
- рациональное построение схемы электроснабжения;
- применение многофазных схем выпрямления, специальных законов управления преобразователями;
- использование резонансных фильтров.
Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения уровней высших гармоник. Однако анодные трансформаторы для большого числа фаз выпрямления получаются сложными, дорогими и ненадежными. Поэтому для мощных преобразователей применяют, как правило, не более чем 12-фазный режим выпрямления.
Одним из наиболее перспективных способов уменьшения токов и напряжений высших гармоник в сетях промышленных предприятий является применение силовых фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на фильтруемую гармонику.
Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, обусловленная в основном стоимостью батарей конденсаторов. Поэтому применение фильтров целесообразно лишь в тех случаях, когда требуется не только не допустить проникновения в электрическую систему токов некоторых гармоник, но и скомпенсировать реактивную мощность в рассматриваемом пункте системы электроснабжения. Распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки. При неточной настройке звеньев фильтра эффективность его уменьшается и даже может иметь место увеличение гармоник напряжения
на шинах подстанции.
Для эффективной работы фильтров их надо устанавливать, начиная с гармоники самого низкого порядка, возникающей при работе нелинейных нагрузок (с фильтра 5-й гармоники для вентильных преобразователей). При неправильном включении фильтров коэффициент несинусои-дальности в точке их подключения не только не уменьшается, но и может значительно увеличиваться. Возникает значительная перегрузка батарей конденсаторов в цепи фильтра токами высших гармоник, которая ведет к выходу из строя конденсаторных батарей и фильтра высших гармоник.
Отклонение значений емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов, входящих в состав фильтров, обусловливается целым рядом факторов, которые можно разделить на субъективные и объективные.
К субъективным причинам относятся отсутствие опыта проектирования, изготовления, монтажа и промышленной эксплуатации силовых фильтров, отсутствие научно обоснованных методик и аппаратуры настройки фильтров перед эксплуатацией и подстройки их в процессе эксплуатации.
К числу объективных факторов можно отнести изменение емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов в зависимости от температуры нагрева, изменение индуктивных и емкостных сопротивлений фильтров при изменении частоты питающей сети, ступенчатое регулирование индуктивности реактора фильтра с помощью отпаек, последствия аварийных режимов в фильтрах[4].
Наиболее простым способом снижения несинусоидальности является выделение нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин, подключенную к одной обмотке многообмоточного трансформатора или реактора. Допустимое значение коэффициента несинусоидальности на шинах с нелинейной нагрузкой определяется только условиями надежной работы автоматических систем управления и самих нагрузок. Возможно и противоположное решение: рассредоточение нелинейных нагрузок по различным узлам систем электроснабжения исходя из допустимого уровня несинусои-дальности.
Следует отметить, что в настоящее время ведутся широкие исследования способов и средств уменьшения высших гармоник в электрических сетях. Известны предложения по применению усложненных законов управления вентильными преобразователями, при которых не только значительно снижается влияние преобразователей на форму кривой напряжения сети, но и одновременно уменьшается потребление ими реактивной мощности.
В связи с этим, электротехнический комплекс электропитающих систем должен быть многофункциональным, применяемым в системах электроснабжения. Это устройство позволит производить компенсацию
Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения ...
реактивной мощности в электрической сети, а также обеспечит стабилизацию напряжения на шинах потребителей, фильтрацию высших гармоник, симметрирование токов и напряжений в сети, и обеспечит экономию средств на оплату потребляемой предприятием электрической энергии.
Список литературы
1. Алексеев Б.А. Продление срока службы силовых трансформаторов. Новые виды трансформаторного оборудования. СИГРЭ-2002// Электрические станции. 2003. №7.
2. Быстрицкий Г.Ф. Энергосиловое оборудование промышленных предприятий: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр “Академия”, 2003. 304 с.
3. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2001. 479 с.
4. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. 336 с.
5. Конюхова Е. А. Электроснабжение объектов: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М.: Издательство «Мастерство», 2002. 320 с.
6. Нагорная В.Н. Экономика энергетики: учеб. пособие / Н.В. Нагорная; Дальневосточный государственный технический университет. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. 157 с.
7. Трунковский Л. Е. Электрические сети промышленных предприятий. 1991.
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, energy@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Базыль Илья Михайлович, асп., energyatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE EFFECT OF HIGHER HARMONICS IN THE PO WER SUPPLY SYSTEM
ELECTRICITY COMPANIES
V.M. Stepanov, I.M. Bazyl
Addressed challenges and practices to ensure the effectiveness of harmonic filtering.
Key words: electric power, harmonics, transformer, currents, power quality indices.
Stepanov Vladimir, doctor of technical sciences, professor, head. chair, energy a tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bazyl Ilya Mikhailovich, postgraduate, energyatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
