Висящев А.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах - файл n6.doc

Висящев А.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах
скачать (52360.7 kb.)
Доступные файлы (9):
n1.doc53kb.08.06.2006 21:20скачать
n2.doc9497kb.08.06.2006 21:19скачать
n3.docскачать
n4.doc1969kb.08.06.2006 21:19скачать
n5.doc1689kb.08.06.2006 21:19скачать
n6.doc3309kb.08.06.2006 21:19скачать
n7.docскачать
n8.doc15072kb.07.05.2009 09:26скачать
n9.rtf121205kb.08.06.2006 21:20скачать

n6.doc

  1   2   3

Глава 7. Электромагнитная обстановка

на объектах энергетики

7.1. Характеристика энергосистемы как объекта

управления



Техника эксплуатации электроэнергетических систем (электрических станций, подстанций и предприятий электрических систем) представляет собой совокупность многочисленных взаимозависимых электротехнических средств и средств локального и централизованного управления, контроля и регулирования. Во все возрастающей степени для реализации функций управления используются вычислительные машины и комплексы.

На каждом уровне управления организуются локальные вычислительные сети автоматизированных систем, обслуживающие также и системы автоматического управления и регулирования путём создания общих средств сбора и достоверизации информации, баз данных и т.д.

Низкий энергетический уровень современных электронных устройств и все возрастающий электромагнитный фон окружающей среды приводят к тому, что всё большее значение приобретают проблемы электромагнитной совместимости на объектах энергетики. Определение наиболее неблагоприятной электромагнитной обстановки (ЭМО) характеризуемой наибольшими, но реально возможными электромагнитными воздействиями (ЭМВ) в местах расположения устройств технологического управления, является важной задачей.

ЭМО на объектах энергетики представляют собой многовариантную систему с широким разбросом параметров, количества и вида появляющихся электромагнитных помех. Экономически нецелесообразно выполнять любое устройство, автоматическую или автоматизированную систему технологического управления абсолютно стойкими к самым жёстким электромагнитным воздействиям. Нецелесообразно также стремиться снизить уровень помех до нулевого уровня. Надёжность функционирования устройств достигается компромиссом между уровнем помех и уровнем помехозащищённости.

ЭМО на объектах энергетики характеризуется следующими параметрами:

  1. Искажениями напряжения (искажение синусоиды напряжения, искажение симметрии трехфазного напряжения).

  2. Значительными колебаниями и отклонениями напряжения.

  3. Ростом потенциалов на элементах заземляющего устройства при КЗ и грозовых разрядах.

  4. Наводками на информационные цепи, цепи РЗА и питания при КЗ и грозовом разряде.

  5. Импульсными полями при коммутациях силового оборудования.

  6. Провалами и выбросами напряжения при авариях и коммутациях мощных потребителей.

  7. Высокочастотными полями от мощных полупроводниковых выпрямителей и конверторов, а также различных радиопередатчиков, включая портативные радиостанции.

  8. Мощными электрическими и магнитными полями промышленной частоты.



7.2. Классификация электромагнитной обстановки



В соответствии с [24] ЭМО характеризуется как лёгкая (класс 1), как средней жесткости (класс 2), как жесткая (класс 3) и как крайне жесткая (класс 4).

Класс 1. Легкая электромагнитная обстановка

Класс 2. Электромагнитная обстановка средней жесткости

Эта обстановка типична для диспетчерских помещений индустриальных предприятий, электростанций и подстанций.

Класс 3. Жесткая электромагнитная обстановка

Эта обстановка характерна для индустриальных цехов, электростанций, релейных помещений подстанций.

Класс 4. Крайне жесткая электромагнитная обстановка

Типичными для этого класса являются территории вблизи промышленных предприятий, электростанций, открытых распределительных устройств среднего и высокого напряжений, где не предусматриваются специальные меры по обеспечению электромагнитной совместимости.

7.3.Определение электромагнитной обстановки



Для оценки ЭМО на действующих объектах находят широкое распространение и математические и экспериментальные методы в зависимости от типа решаемых проблем. Для оценки искажения синусоиды кривой напряжения, несимметрии напряжений, отклонений и колебаний напряжений широкое распространение получили математические методы расчёта. В то же время помехи при грозовых разрядах, КЗ на заземляющий контур трудно рассчитать с приемлемой точностью, так как отсутствует информация для создания математической модели. Например: отсутствует достоверная информации о реальном исполнении и состоянии подземной части контура заземления, точная информация о трассах прохождения кабелей, схеме заземления экранов кабелей и т.д. В этих случаях более эффективными, а иногда и единственными являются экспериментальные методы оценки электромагнитной обстановки.

7.3.1. Аналитический метод

Дефицит реактивной мощности в сети


При дефиците реактивной мощности в сети возникают отклонения напряжения выше допустимого значения. Вопросы математических методов расчёта изложены в главе 4. В данном разделе рассмотрены вопросы ЭМС, связанные с отклонениями напряжения.

Отклонение напряжения – разность между действительным и номинальным значениями напряжения. Отклонения напряжения на зажимах приборов рабочего освещения в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, допускается в пределах – 2,5 до +5 % от номинального. При снижении напряжения на 10 % световой поток ламп накаливания снижается примерно на 30 %, а при повышении на 10 % срок службы ламп сокращается в 5 раз. По данным [27] увеличение освещенности рабочего места на 10 % приводит к увеличению производительности труда на 14 %. Снижение напряжения и, как следствие, недостаточная освещенность приводят к повышенной утомляемости персонала и к повышению производственного травматизма.

При отклонениях напряжения на выводах асинхронных двигателей изменяется частота вращения ротора, а также значение потерь и потребление реактивной мощности. При снижении напряжения на 10% уменьшается на 19% вращающийся момент. Изменяется также потребляемая активная и реактивная мощности, что приводит к изменению экономических показателей. Согласно [15] в рассматриваемом случае по сравнению с режимом номинального напряжения приведенные затраты изменятся на:

,

где и – приращение значений потребляемой реактивной мощности и активных потерь по сравнению со значениями этих величин при номинальном напряжении;

и – приращение потребляемой реактивной мощности и ущерб, связанные с изменением скорости вращения;

– стоимость 1 кВт./ч электроэнергии;

– дополнительные затраты, связанные с уменьшением срока службы изоляции;.

– стоимость 1квар реактивной мощности.

Потери активной мощности в полностью загруженных двигателях, работающих с постоянным моментом сопротивления, возрастают при снижени напряжения вследствие увеличении тока, потребляемого из сети. Зависимость увеличения потерь активной мощности и реактивной мощности , АД от напряжения при различных коэффициентах загрузки показаны соответственно на рис. 7.1 и рис. 7.2.








Рис.7.1. Увеличение потерь

активной мощности при

отклонении напряжения

Рис.7.2. Увеличение потерь

реактивной мощности при

отклонении напряжения


Отклонение напряжения выше допустимых значений отрицательно сказывается на работе синхронных двигателей: при снижении напряжения снижается запас статической устойчивости двигателя; при увеличении напряжения снижается потребляемая реактивная мощность. При снижении напряжения для двигателей с ОКЗ 1,25 происходит увеличение потребляемой реактивной мощности, а при ОКЗ 1,25 – уменьшение.

Отклонение напряжения влияет также на работу управляемых вентильных преобразователей. При повышении напряжения угол регулирования автоматически увеличивается, а при понижении уменьшается. В результате чего при повышении напряжения ухудшается коэффициент мощности. Согласно [15] 1 % повышения напряжения приводит к увеличению реактивной мощности на 1 – 1,5 %.

Отклонения напряжения приводят к снижению производительности электрических установок. Отклонение напряжения в любую сторону приводит к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности. Например, производительность электротермических установок электродного завода П имеет квадратичную зависимость от напряжения:

.

Резкопеременная нагрузка


Развитие электротехнологий обусловливает увеличение энергоемкости промышленных предприятий и концентрацию нагрузок. В частности, растут мощности дуговых электрических печей, являющихся резкопеременной нагрузкой. Набросы и сбросы активной и реактивной мощности приводят к колебаниям напряжения.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии предметов, деталей, графических изображений и т.д. и, в конечном счете, производительности труда и зрении работников.

Мигание ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывает мигание света с частотой 3 – 10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны: менее 0,5 % в России, 0,2 – 0,3 % во Франции, США, Японии.

При одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают большее отрицательное воздействие на зрение, чем газоразрядные лампы. Колебания напряжения более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп, и работа в этих условиях окажется невозможной. При колебаниях более 15 % могут отпасть магнитные пускатели и полностью остановиться производство. Глубокие колебания могут также привести к выходу из строя вентильных выпрямителей и батареи конденсаторов.

Глубокие колебания напряжения могут отрицательно влиять и на источники электрической энергии – электрические станции. Колебания напряжения недопустимы для текстильного, бумагодеятельного производства, где предъявляются высокие требования к точности поддержания скорости вращения механизмов, приводом для которых служат асинхронные двигатели.

При производстве хлора и каустической соды колебания напряжения с размахом ±5 % вызывают резкое увеличение износа анодов, нарушение технологии производства.

Значительные колебания напряжения приводят к сбоям в работе систем автоматического регулирования, цифровых систем управления, ЭВМ. Колебания напряжения приводят к возникновению всего спектра ВГ. Влияние ВГ на работу устройств РЗА подробно рассмотрено в главе 8.

Несимметричная нагрузка


Одной из причин ухудшения качества электроэнергии в электрических системах является использование во всевозрастающих масштабах несимметричных нагрузок, т.е. таких потребителей электроэнергии симметричное исполнение и режимы работы которых невозможны или нецелесообразны по конструктивным, технологическим или экономическим соображениям. К числу получивших распространение в промышленности и на транспорте мощных несимметричных потребителей следует отнести: железнодорожную тягу, однофазные установки электрошлакового переплава, позволяющие получать металл высокого качества, однофазные индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи и т.д.

Методы расчёта несимметричных режимов изложены в главе 4.

В данном разделе рассмотрим влияние тяги на ПКЭ в узлах электрической сети.

Нормы качества электроэнергии одновременно являются уровнями электромагнитной совместимости для систем электроснабжения.

Особенностью тяговых нагрузок является то, что эта нагрузка выпрямительная, быстро и непрерывно изменяющаяся во времени и заведомо несимметричная. Эти особенности нагрузки приводят к тому, что в сети кроме симметричных токов основной частоты 50 Гц появляются токи обратной последовательности и токи высших гармоник.

Наличие токов обратной последовательности в сети приводит к нарушению симметрии напряжения, а токов высших гармонических приводит к искажению синусоиды напряжения. Таким образом наличие железнодорожной тяги приводит к необходимости вести анализ несимметричных режимов при случайном характере нагрузок.

В качестве иллюстрации для электрической сети, питающей тяговую нагрузку участка транссибирской магистрали длиной около 1000 км, приведены значения коэффициента несимметрии (рис.7.3.) и коэффициента несинусоидальности (рис.7.4.).

Из анализа рис 7.3 следует, что во всех сетях, примыкающих к тяговым подстанциям, коэффициент несимметрии превышает нормально допустимое значение 2 %. Только на п/с 19 он в норме. На п/с 2327 коэффициент несимметрии превышает предельно допустимое значение 4 %.

Коэффициент несинусоидальности в сетях, примыкающих к тяговым п/с, также превышает предельно допустимое значение.

Доминирующими гармониками в искажении напряжения являются пятая и седьмая. Поэтому для снижения величины Ku необходимо прежде всего установить фильтры на эти гармоники.

С увеличением номера тяговой п/с ухудшаются и коэффициент несимметрии, и коэффициент несинусоидальности. Это объясняется тем, что тяговые п/с с меньшим номером питаются от более мощной системы, а п/с с большим номером питаются от системы меньшей мощности.

Рис. 7.3. Значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной

последовательности (К2U, %) в сети с тяговой нагрузкой

Рис.7.4. Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Кu (%) в сети с тяговой нагрузкой
При несимметрии напряжений в электроэнергетических системах возникает ряд нежелательных явлений, ухудшающих технические и экономические показатели работы оборудования: дополнительный нагрев оборудования и, как следствие, ускоренный износ его изоляции, ухудшение режима напряжения на зажимах приемников, неправильная работа устройств защиты и автоматики и т.д. [15,16]. Неблагоприятным оказывается воздействие несимметрии на работу асинхронных двигателей (АД).

В соответствии с [15] потери, обусловленные несимметрией напряжения, определяются выражением

,

где – номинальные потери в меди статора двигателя;

– кратность пускового тока.

Расчёты показывают, что при работе электродвигателя с номинальным вращающим моментом при несимметрии срок службы изоляции сокращается примерно в 2 раза.

При несимметрии возникает тормозной электромагнитный момент. В АД уменьшение полезного момента пропорционально квадрату коэффициента несимметрии:

,

где – сопротивления прямой и обратной последовательностей двигателя.

Учитывая, что , уменьшением электромагнитного момента практических расчетов можно пренебречь.

Несимметрия напряжений на выводах синхронного генератора приводит к дополнительному нагреву и повышенной вибрации генератора. В несимметричном режиме возникает поле обратной последовательности, которое вращается с синхронной скоростью в сторону, противоположную вращению ротора. Поэтому обмотка ротора и все его элементы пересекаются полем обратного вращения и во всех элементах ротора, включая обмотку; наводятся ЭДС с частотой 100 Гц. Возникающие при этом токи двойной частоты приводят к дополнительному нагреву ротора и синхронной машины в целом. Допустимость несимметричных режимов определяется допустимой температурой для данного класса изоляции ротора и статора генератора [15, 16].

В несимметричном режиме наряду с нагревом синхронных машин могут возникнуть опасные вибрации. Они возникают в результате появления знакопеременных вращающих моментов на валу машин, так как в несимметричном режиме электромагнитный момент не остается неизменным, а пульсирует с частотой 100 Гц.

В соответствии с [15, 16] дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией, определяются выражением

,

где – потери при токе обратной последовательности, равном номинальному. Если дополнительные потери выразить через коэффициент нессимметрии по напряжению, то с учетом

,

получим

,

где – сопротивление обратной последовательности синхронной машины.

Работа трансформаторов в несимметричных режимах приводит к увеличению потерь, определяемых следующим выражением:

,

где – соответственно потери хх и КЗ трансформатора;

– напряжение КЗ в относительных единицах.

Первое слагаемое в рассматриваемом выражении значительно меньше второго и поэтому для упрощенных расчетов можно принять .

Несимметрия напряжений значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам увеличивается пульсация выпрямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние несимметрии может сказываться на работе системы импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью, что приводит к неполному использованию батарей конденсаторов. При этом проявляется эффект усиления уже существующей несимметрии, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с меньшим напряжением будет меньше.

При несимметричной загрузке фаз линий электропередач возникают дополнительные потери, пропорциональные квадрату тока обратной последовательности. Заметного влияния эти потери на работу воздушных линий электропередач не оказывают. Для трансформаторов это влияние является значительным. Согласно [15] при номинальной нагрузке трансформатора и срок службы изоляции сокращается на 16 %.

Несимметрия напряжений значительно влияет и на работу однофазных потребителей. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, сокращается срок службы ламп накаливания, включенных на фазы с повышенным напряжением.

Нелинейная нагрузка



Современные электротехнические системы характеризуются широким использованием силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения питающей сети и возникают несинусоидальные режимы, действие которых распространяется по всей электрической сети. В главе 4 изложена методика расчета несинусоидальных режимов.

В табл. 7.4 приведены результаты расчётов и измерений ПКЭ в электрической сети со значительной долей выпрямительной нагрузки (алюминиевые заводы).

В непосредственной близости от завода (узлы 9 – 16) коэффициенты гармонических составляющих (Ku(n)) и искажения синусоидальности (Кui) превышают нормально допустимые значения, а в узлах 11, 15 превышают предельно допустимые значения.

Таблица 7.4

Коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения

в сетях с нелинейной нагрузкой


№ п/с

№ узла

Кu, кВ

Ku(n), кв

Кu

в %

Ku(n), %

5

7

11

3

23

25

5

7

11

3

23

25

1

2030

0,79

0,27

0,17

0,47

0,49

0,21

0,13

0,33

0,12

0,08

0,21

0,22

0,10

0,0

2

2040

0,53

0,29

0,19

0,09

0,21

0,25

0,21

0,22

0,13

0,09

0,04

0,10

0,11

0,1

3

2050

0,61

0,25

0,17

0,44

0,15

0,2

0,17

0,26

0,11

0,08

0,20

0,07

0,09

0,0

4

2080

0,55

0,28

0,18

0,09

0,21

0,28

0,24

0,23

0,13

0,08

0,04

0,10

0,13

0,1

5

2180

1,36

0,19

0,17

1,33

0,06

0,07

0,08

0,56

0,09

0,08

0,60

0,03

0,03

0,0

6

2200

1,22

0,14

0,14

1,19

0,22

0,07

0,05

0,52

0,06

0,06

0,54

0,10

0,03

0,0

7

2220

0,89

0,13

0,11

0,73

0,47

0,04

0,03

0,39

0,06

0,05

0,33

0,21

0,02

0,0

8

2250

1,9

0,24

0,21

1,77

0,59

0,01

0,01

0,79

0,11

0,10

0,80

0,27

0,00

0,0

9

2280

3,52

1,15

0,75

2,77

1,67

0,01

0,01

1,56

0,52

0,34

1,26

0,76

0,00

0,0

10

2400

5,64

1,29

1,67

4,52

2,57

0,37

0,34

2,33

0,59

0,76

2,05

1,17

0,17

0,1

11

2500

9,65

1,57

2,22

2,6

8,87

0,36

0,4

4

0,71

1,01

1,18

4,03

0,16

0,1

12

2401

2,26

0,96

0,71

1,87

0,43

0,04

0,03

0,97

0,44

0,32

0,85

0,20

0,02

0,0

13

2440

6,58

1,36

1,86

3,18

5,17

0,7

0,83

2,77

0,62

0,85

1,45

2,35

0,32

0,3

14

2460

5,58

1,28

1,66

4,5

2,51

0,36

0,33

2,31

0,58

0,75

2,05

1,14

0,16

0,1

15

2490

9,52

1,55

2,18

2,47

8,77

0,4

0,44

3,95

0,70

0,99

1,12

3,99

0,18

0,2

16

2510

6,23

1,74



3,73

2,89

0,01

0,03

2,54

0,79

1,67

1,70

1,31

0,00

0,0

17

2600

1,13





0,97

0,03

0,01

0,01

0,47

0,25

0,10

0,44

0,01

0,00

0,0

18

2610

0,82

0,22

0,49

0,6

0,07

0,04

0,04

0,35

0,10

0,22

0,27

0,03

0,02

0,0

19

2620

1,15

0,11

1,12

0,24

0,02

0,01

0,02

0,5'

0,05

0,51

0,11

0,01

0,00

0,0

20

2640

0,08

0,02

0,07

0,03

0

0

0

0,04

0,01

0,03

0,01

0,00

0,00

0,0

21

2700

2,28

0,69

0,35

1,85

1,08

0,06

0,06

0,92

0,31

0,16

0,84

0,49

0,03

0,0

22

2710

2,41

0,73

0,41

1,87

1,25

0,1

0,09

0,99

0,33

0,19

0,85

0,57

0,05

0,0


Высшие гармоники (ВГ) напряжения и тока оказывают неблагоприятное влияние на работу электрооборудования: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и других элементах электрических сетей, затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, возрастает аварийность в кабельных сетях, появляются сбои в работе систем управления, автоматики и релейной защиты.

Условия работы при несинусоидальных режимах резко ухудшаются, создаются условия для возникновения параллельного и последовательного резонанса. Наиболее вероятно возникновение параллельного резонанса при наличии конденсаторной батареи на шинах. В этом случае частота резонанса [15] приближенно определяется по выражению

,

где – номинальная частота; – мощность кз на шинах; – мощность кб.

Согласно [15, 16] дополнительные потери активной мощности в асинхронных двигателях [АД] определяются выражением

,

где – номинальные потери активной мощности в меди статора,

– напряжение гармоники n в относительных единицах.

КП – кратность пускового тока.

Возрастают также потери на вихревые токи. В нормальном режиме они невелики и составляют около 5 % от . При наличии ВГ эти потери достигают (3050)% от .

Дополнительные потери приводят к перегреву двигателя. Кроме того, несинусоидальность напряжения приводит к возникновению ионизационных процессов в изоляции и к ее ускоренному старению.

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работу синхронных машин. Наличие ВГ приводит к появлению полей вращения относительно ротора. Гармоники создают поля вращения, встречные направлению вращения ротора. Гармоники создают поля вращения, совпадающие с вращением ротора. Как те, так и другие поля пересекают ротор и, следовательно, создают дополнительные потери роторе: в обмотке возбуждения, бочке ротора, демпферной обмотке и т.д. Высшие гармоники приводят к увеличению рассеяния магнитных потоков статора, что также приводит к дополнительным потерям.

Точный расчет всех потерь является весьма трудоемким. Принято считать, что для приближенных расчетов потери от токов высших гармоник не превышают потерь от токов обратной последовательности, т.е.

.

Гармоники напряжения вызывают в силовых трансформаторах увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали и потерь в обмотках. Суммарные потери от ВГ согласно [15] определяются выражением

.

ВГ нулевой последовательности замыкаются в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к дополнительной загрузке обмоток и к возможной их перегрузке.

Дополнительные потери в конденсаторах согласно [1] определяются выражением

,

где – удельные потери на основной частоте, квт/квар.

Эти потери приводят к дополнительному нагреву конденсаторов и сокращению срока их службы. Перегрузка конденсаторов значительно возрастает при возникновении резонансных явлений. Необходимо следить, чтобы не возникла перегрузка батареи более допустимых значений. В большинстве случаев отечественные конденсаторы допускают перегрузку 30 %.

Точный расчет дополнительных потерь в оборудовании сети является весьма трудоемким и не всегда возможен из-за отсутствия необходимой информации об оборудовании. В [15] предлагается упрощенный вариант потерь:

,

где – коэффициент, учитывающий возрастание активного сопротивления вследствие поверхностного эффекта;

– мощность КЗ в месте включения элемента сети.

Несинусоидальные режимы приводят к искажению измерений электрических величин: токов, напряжений, мощности и т.д. Существенным оказывается и влияние на линии связи. При малом уровне ВГ возникают помехи, шумы, при увеличении может теряться часть информации, а в исключительных случаях связь оказывается неработоспособной.

Вопрос влияния ВГ на работу релейной защиты в данном разделе не рассматривается, так как это представляет собой отдельную проблему со специфическими методами анализа и мероприятиями по обеспечению нормальной работы защит.

  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации