БИБЛИОТЕКА

 Качество электроэнергии в руках проектировщика

Автор: В.С.Фишман, технический директор ООО «Нижегородский Электропроект».

Статья опубликована в журнале «Новости электротехники», №3(27) 2004

Сайт журнала: http://www.news.elteh.ru

Показатели качества электроэнергии в сети потребителя во многом зависят от правильного выбора схемы электроснабжения, то есть, в конечном счете, от мас-терства проектировщика, его знаний и опыта. В распоряжении создателей проек-тов достаточно способов и инженерных ресурсов для решения этой проблемы. Задача проектировщика – грамотно распорядиться имеющимися возможностями.

Современному потребителю электроэнергии требуется надежная и экономичная система электро-снабжения, построенная с соблюдением действую-щих норм в отношении качества электроэнергии. Во-просы качества энергии в сети потребителя решаются ещ? на стадии проектирования, когда многое зависит от профессионализма проектировщика. Во времена СССР работать над проектами было проще, поскольку, кроме норм и правил, содержащих требования к системе элек-троснабжения и устройству электроустановок, существо-вали многочисленные и почти бесплатные нормали, ука-зания и пособия по проектированию, выпускавшиеся проектными организациями страны, такими, как ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ВГПИ «Энергосетьпроект», Гипромез, ГПИ «Электропроект», ВНИПИнефть и др. В новых экономических условиях количество нормативных требований не уменьшилось, скорее наоборот, выросло, пособия по проектированию некоторые организации и сегодня предлагают, но уже на коммерческой основе, а типовое проектирование почти полностью прекратилось. В результате в области ноу-хау проектной деятельности образовался определенный вакуум, который усугубляет-ся ещ? и тем, что практически сменилось поколение проектировщиков, ушли опытные кадры, на смену кото-рым пришли молодые, не всегда владеющие необходи-мыми знаниями.

Качество теряется на последней ступеньке

Изначально качество электроэнергии зависит от производителя, однако в процессе транспортировки к по-требителю е? качественные показатели изменяются. Их ухудшение чаще всего происходит на конечном участке системы электроснабжения, т.е. непосредственно в рас-пределительных сетях и системе электроснабжения по-требителя.

На мой взгляд, это объясняется тем, что источники питания, магистральные сети и подстанции энергосис-

темы проектируются и эксплуатируются профессиональными организациями бывшей системы Минэнерго, а распределительные сети потребителей во многих случаях проектируются (и эксплуатируются) многочисленными организациями, уровень профессиональной подготовки которых в этой области оставляет желать лучшего.

Качество электроэнергии в Российской Федерации определяется ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», содержащим целый ряд соответствующих показателей. Рассмотрим, как меняются показатели качества электроэнергии в процессе передачи к потре-бителям.

Всякая система электроснабжения характеризуется импедансом, т.е. актив-ным, индуктивным и емкостным сопротивлениями. Каждая из этих составляющих по-своему влияет на показатели качества. Падение напряжения при передаче электроэнергии к потребителю характеризуется формулой:

, (1)

где ?U – падение напряжения в системе электроснабжения;

Р и Q – активная и реактивная составляющие мощности, передаваемой по-требителю;

R, Xe – активное и индуктивное сопротивления сети.

Формула падения напряжения содержит действительную и мнимую части. Действительная часть

называется «потеря напряжения» и характеризует изменение величины на-пряжения, а мнимая часть

характеризует фазовый сдвиг напряжения у потребителя относительно на-пряжения источника питания (см. рис.1). Для потребителя важна величина дейст-вительной части, т.е. потери напряжения. Мнимая часть – фазовый сдвиг, как пра-вило, не играет существенной роли.

Из формулы (1) видно, что чем больше активное и индуктивное сопротивле-ния системы электроснабжения, тем больше потеря напряжения в ней. При этом для сетей выше 1000 В характерно соотношение R<X, а при малых сечениях про-водников R>>X.

Что касается величин нагрузки Р и Q, то на первую из них проектировщик по-влиять не может, в то время как на вторую (Q) может, применяя устройства ком-пенсации реактивной мощности. Очевидно также, что потери напряжения непо-стоянны во времени, поскольку зависят от передаваемых мощностей Р и Q, вели-чина которых меняется. Эти изменения бывают медленными, например, суточны-ми или сезонными, которые обуславливают величину отклонения напряжения, и быстрыми. В последнем случае это колебания напряжения, возникающие в про-цессе работы потребителей с резко переменной нагрузкой или связанной с пуском крупных электродвигателей.

Кроме потери напряжения, в системе электроснабжения могут иметь место искажения синусоидальности напряжения, вызванные так называемой «нелиней-ной нагрузкой», создающей высшие гармоники в системе электроснабжения. Ве-личина этих искажений зависит не только от источников высших гармонических составляющих, но и от величины и соотношения составляющих импеданса систе-мы электроснабжения.

За счет неравномерности нагрузки по фазам может иметь место несимметрия напряжения в сетях среднего напряжения, а в сетях до 1000 В с глухозаземленной

нейтралью ещ? и неуравновешенность напряжения, величины которых в общем случае также пропорциональны импедансу системы электроснабжения.

Следует остановиться на влиянии емкостной составляющей импеданса сис-темы электроснабжения. По сравнению с индуктивным сопротивлением, величина емкостного сопротивления кабельных, а тем более воздушных сетей среднего на-пряжения достаточно велика, поэтому существенного влияния на передачу элек-троэнергии этот параметр не оказывает. Однако он непосредственно влияет на ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях 6–35 кВ и возникающие при нем перенапряжения.

Классические принципы современных схем

Снижение импеданса системы электроснабжения

Как следует из вышеизложенного, первая задача состоит в том, чтобы по воз-можности минимизировать импеданс системы электроснабжения и его отдельные составляющие. Однако решение этой задачи ограничено определенными рамка-ми.

Так, величина активного сопротивления системы электропередачи определя-ется ещ? и такими понятиями, как допустимые токовые нагрузки проводников и экономическая плотность тока. Снижение величины активного сопротивления возможно путем увеличения сечения проводников по сравнению с требуемым по условиям допустимых токовых нагрузок, и на это приходится идти, особенно в случаях низковольтной сети. Это связано с дополнительными капитальными за-тратами, поэтому необходимо считать, что выгоднее: увеличивать сечение про-водников в низковольтной сети или поставить дополнительный трансформатор 6(10)/0,4 кВ (принцип «дробления источников питания и приближения их к центрам нагрузок»). С этой же целью в ряде зарубежных стран, а частично и в нашей, при-меняется напряжение 660 В вместо 380 В.

Индуктивная составляющая импеданса системы электроснабжения в сетях среднего напряжения (6–35 кВ) больше других оказывает влияние на показатели качества напряжения, такие, как уровни и колебания напряжения, несимметрия и несинусоидальность.

Однако индуктивная составляющая не может быть уменьшена ниже опреде-ленных пределов. Эти пределы определяются допустимыми для электрооборудо-вания значениями токов короткого замыкания (ТКЗ).

Рациональное построение схемы электроснабжения.

При наличии потребителей с резкопеременной и нелинейной нагрузкой большое значение имеет рациональное построение схемы электроснабжения, при которой указанные потребители выделяются на отдельные секции шин с повышенным значением ТКЗ, в то время как для секций, питающих спокойную нагрузку, приме-няются более низкие уровни ТКЗ. Это в ряде случаев позволяет значительно со-кратить капитальные затраты на электрооборудование.

Применение эффективных способов ограничения токов короткого замыкания

Существует целый ряд способов ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения, которые с точки зрения ограничения импеданса дают разный эффект. Так, применение понижающих трансформаторов с расщепленной вторичной обмоткой

6–10 кВ в общем случае предпочтительнее применения токоограничивающих реакторов, поскольку становятся меньше потери активной мощности, секции РУ-6(10) кВ электрически разделяются, снижается величина емкостного тока ОЗЗ.

Это не исключает применения в обоснованных случаях сдвоенных и одинар-ных реакторов. Могут также использоваться и другие способы, например, разук-рупнение мощности понижающих трансформаторов и т.п. Выбор этих способов должен производиться с учетом всего многообразия факторов и на основании технико-экономических расчетов.

Арсенал проектировщика

Коррекция уровней напряжения

Для коррекции медленных изменений напряжения (отклонений напряжения) в сетях 6, 10 кВ применяются устройства регулирования напряжения под нагрузкой силовых понижающих трансформаторов 110(35)/6(10) кВ.

К сожалению, многолетнее использование этих устройств показало их невы-сокую надежность, поэтому эксплуатация, как правило, не допускает их частую работу, в том числе в автоматическом режиме.

С этой же целью применяется регулирование возбуждения крупных синхрон-ных электродвигателей.

Наиболее широко для коррекции напряжения в сетях 0,4 кВ применяется ре-гулирование мощности конденсаторных батарей. При выборе способа регулиро-вания конденсаторных батарей необходимо учитывать их тройное назначение:

компенсация реактивной мощности до экономически выгодных значений, рассчитываемых и задаваемых потребителю энергосистемой;

повышение пропускной способности сети;

коррекция уровня напряжения.

В связи с этим правильный выбор алгоритма управления конденсаторной ба-тареей подчас представляет сложную задачу. Пока эту задачу, как правило, уп-рощают. Например, применяют широко распространенный способ регулирования путем поддержания определенного, заранее установленного значения cos j. Од-нако этот способ не всегда можно применить. Например, в часы максимальных нагрузок компенсация реактивной мощности должна быть максимальной и соот-ветственно следует держать наибольшее значение сos j, а в часы минимальных нагрузок, особенно в ночное время, когда напряжение в системе повышается, не-обходимо пониженное значение сos j. Применяется также регулирование КБ по принципу поддержания постоянства потребляемой из системы реактивной мощ-ности, который хотя и ближе, но все еще далек от оптимального. Вообще, выбор способа регулирования мощности конденсаторных батарей заслуживает отдель-ной статьи.

Если отвечающий всем требованиям алгоритм управления конденсаторной батареей оказывается слишком сложным, то надо выбирать приоритетные на-правления из указанных выше, которые в каждом случае могут быть разными.

Коррекция колебаний напряжения

Перечисленные выше устройства коррекции уровней напряжения неэффек-тивны в условиях быстрых изменений тока нагрузки, вызывающих колебания на-пряжения.

Требования ГОСТ 13109-97 к допустимым значениям колебаний напряжения ещ? более жесткие, чем к уровням напряжения, что связано с колебанием свето-вого потока ламп, отрицательно влияющим на зрение человека.

Для частоты колебаний нагрузки, имеющих место при работе главных двига-телей крупных прокатных станов, существуют быстродействующие статические компенсаторы реактивной мощности, представляющие собой довольно сложную комбинацию реактора, управляемого с помощью тиристоров, и включенную па-раллельно ему нерегулируемую конденсаторную батарею. Однако широкое при-менение этого громоздкого, сложного и дорогого устройства для других целей практически исключено. Применение конденсаторных установок поперечной ком-пенсации для устранения колебаний напряжения, как правило, неэффективно в связи с недостаточным быстродействием.

Для уменьшения колебаний напряжения применяется ещ? один способ – ис-пользование установок продольной компенсации. При этом в питающую линию последовательно включается конденсаторная батарея. В этом случае колебания напряжения определяются, как:

Поскольку в сетях 6–35кВ R<e, то колебания напряжения определяются в ос-новном реактивной составляющей:

т.е. за счет емкостного сопротивления конденсаторов они резко снижаются.

Как правило, для уменьшений величин колебаний напряжения и устранения их влияния на других потребителей наиболее рациональными являются следую-щие схемные решения:

выделение потребителей 6–35 кВ с резкопеременной нагрузкой на отдель-ные трансформаторы или расщепленные обмотки 6–10 кВ трансформато-ров;

питание потребителей с резкопеременной и спокойной нагрузкой от разных ветвей сдвоенных реакторов 6–10 кВ;

в сетях до 1000 В питание крупных потребителей с резкопеременной на-грузкой, например, сварочной, целесообразно предусматривать от отдель-ных трансформаторов;

для не слишком крупных потребителей с резкопеременной нагрузкой в низ-ковольтной сети иногда может оказаться достаточным выделение их на от-дельную сборку шин, питающуюся отдельным фидером со щита 0,4 кВ си-лового трансформатора и т.п.

На практике установки продольной компенсации не нашли широкого примене-ния из-за некоторых технических проблем. Так, при повреждении за конденсато-ром токи короткого замыкания резко возрастают, а напряжение на конденсаторе резко повышается, что требует применения специальных быстродействующих устройств защиты. В некоторых случаях, например, при пусках электродвигате-лей, могут возникнуть явления субрезонанса.

Проектировать, не создавая новых проблем

Из всего вышеизложенного очевидно, что многие проблемы качества электро-энергии так или иначе связаны с величиной импеданса системы электроснабже-ния и его отдельных составляющих. При этом, чем больше величина этих состав-ляющих, тем острее становятся проблемы с качеством. Поэтому при проектиро-вании надо стремиться к минимизации импеданса системы электроснабжения.

Для достижения этой цели следует шире применять такие технические реше-ния, как:

дробление мощности источников питания в сетях среднего и низкого на-пряжения с целью применения глубоких вводов высокого напряжения в центры нагрузок;

глубокое секционирование систем шин с целью локализации влияния коле-баний и посадок напряжения в системе электроснабжения;

выделение потребителей с резкопеременной нагрузкой на отдельные рас-щепленные обмотки силовых трансформаторов и реакторов, а в низко-вольтной сети – на отдельные трансформаторы или отдельные силовые сборки;

оптимальные методы регулирования мощности конденсаторных батарей и др.

В заключение следует отметить, что в настоящей статье затронуты лишь наи-более важные вопросы проектирования систем электроснабжения, касающиеся в основном промышленных предприятий.