Повышение энергоэффективности систем электроснабжения промышленных предприятий

Под внешним понимают искусственное симметрирование с применением различных устройств, подключенных к трехфазной сети так, чтобы суммарные токи в трехфазном источнике и сети создавали систему прямой последовательности. Внешнее симметрирование получило широкое распространение в производстве:
- применение многофазной схемы выпрямления (например, схемы Ларионова); используется для питания электроприемников постоянного тока, недостатком является генерация ВГ, возникающая при выпрямлении;
- симметрирование с помощью фазовых уравнителей - синхронных машин, создающих уравновешивающую систему ЭДС обратной последовательности; недостатком является сложная конструкция уравнителей;
- использование симметрирующего эффекта трехфазных асинхронных двигателей (АД); недостатком является то, что АД должны работать со значительной недогрузкой, поскольку иначе они могут выйти из строя вследствие перегрева;
- введение системы добавочных ЭДС;
- компенсация пульсирующей мощности с помощью статических симметрирующих устройств (СУ); в зависимости от технической необходимости и экономической целесообразности СУ могут быть регулируемыми и нерегулируемыми, при реализации метода используется сочетание регулируемых или нерегулируемых конденсаторных батарей (КБ), реакторов и мощных активных сопротивлений.
Применение симметрирующих устройств (СУ), позволяющих устранить токи нулевой и обратной последовательности. СУ подразделяются:
- на конденсаторные и электромагнитные шунтосимметрирующие устройства - за счет подключения в сеть реакторов и конденсаторных батарей, основанных на минимальном сопротивлении токам нулевой последовательности, за счет шунтирования замыкания на себя этих токов;
- преобразующие СУ - за счет использования преобразующих статических устройств: выпрямители, тиристорные регуляторы, высокочастотные преобразователи электромашины постоянного тока, использование электронных балластов в осветительных газоразрядных приборах;
- компенсационные СУ - за счет включения в рассечку нулевого провода трансформатора симметрирующего трехфазного (ТСТ) компенсационной обмотки симметрирующих устройств.
Этот метод является эффективным, так как применяемый ТСТ позволяет получить высокие энергетические показатели симметрирования, а именно: улучшить качество электроэнергии, повысить коэффициент мощности, подавить высшие гармоники, регулировать напряжение [5].
При несимметрии напряжения возникает ущерб, обусловленный появлением дополнительных потерь в элементах электросетей, сокращением срока службы электрооборудования и снижением экономичности его работы. Имеющаяся в сети несимметрия напряжений обусловливает несимметрию токов потребления даже для симметричных электроприемников. В результате одна из фаз линии электропередачи (ЛЭП) работает с перегрузкой. Поскольку возникающие в каждой фазе ЛЭП потери пропорциональны квадрату тока, то в линии при несимметрии напряжений появляются дополнительные потери по сравнению с симметричным режимом.
У АД токи обратной последовательности, возникающие при несимметрии напряжения, создают тормозящий электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев стали ротора за счет токов двойной частоты. Уменьшение вращающего момента приближенно пропорционально квадрату коэффициента обратной последовательности напряжения. Из-за нагрева резко сокращается срок службы изоляции АД. Установлено, что срок службы полностью загруженного АД, работающего при К2U = 4 %, сокращается в два раза.
Несимметрия напряжения приводит к нагреву трансформаторов и, следовательно, сокращению срока его службы. Например, при номинальной нагрузке трансформатора и К2U =10 % срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16 %. Токи, обусловленные напряжением нулевой последовательности, создают в стали трансформаторов и электродвигателей поток нулевой последовательности, который не выполняет никакой полезной работы, но обеспечивает дополнительный нагрев стали. Это также снижает нагрузочную способность трансформаторов и электродвигателей [8].


2.6 Учет показателей качества электроэнергии при анализе режимов систем электроснабжения предприятий

К электросетям общего назначения относятся сети переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц промышленных предприятий, энергосистем и электростанций.
Нормы качества электроэнергии являются уровнями электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается ЭМС электросетей общего назначения и электросетей потребителей.
Нормативный стандарт не устанавливает требования к качеству электроэнергии в электрических сетях специального назначения (например, контактных тяговых сетях, сетях связи), в автономных системах электроснабжения (например, буровой установки, поездов). Он также не устанавливает нормы ПКЭ для режимов, вызванных непредвиденными обстоятельствами (исключительными погодными условиями, стихийными бедствиями и т.п.), а также на время ликвидации последствий непредвиденных обстоятельств.
Нормы ПКЭ подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей и в договоры энергоснабжения между организацией, осуществляющей энергоснабжение, и потребителем.
С целью обеспечения норм стандарта в точках общего присоединения потребителям, виновным в ухудшении качества электроэнергии, допускается устанавливать в технических условиях на присоединение и в договорах на энергоснабжение более жесткие нормы (с меньшим диапазоном допустимых значений ПКЭ), чем установленные в стандарте.
Нормы ПКЭ в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей электрической энергии, которые регламентируются отраслевыми стандартами и иными нормативными документами, не должны быть ниже норм, установленных в ГОСТ 13109-97 в точках общего присоединения. Нормы стандарта применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при установлении уровней ЭМС между электрическими сетями и приемниками электрической энергии. Установлены два вида норм ПКЭ: нормально допустимые значения (НДЗ) и предельно допустимые значения (ПДЗ).
Оценка соответствия ПКЭ указанным нормам проводится в течение расчетного периода Т, равного 24 часам. Значения ПКЭ в нормальном режиме работы электрической сети могут выходить за границы НДЗ с суммарной вероятностью Р недопустимых ПКЭ не более 0,05. Это означает, что за сутки суммарное время выхода ПКЭ за границы НДЗ может составлять 1 ч 12 мин.
При Р > 0,05 ГОСТ 13109-97 считается нарушенным. В нормальном режиме работы электрической сети ПКЭ не могут выходить за границы ПДЗ.
Учет качества электроэнергии представляет собой ряд мероприятий, обеспечивающих объективную оценку ПКЭ. Такой контроль осуществляется соответствующим технологическим оборудованием.
Качество электроэнергии - одно из ключевых понятий в электроснабжении. Снижение показателей качества электроэнергии отрицательно влияет на электрооборудование:
- увеличиваются потери энергии в сетях;
- происходит перегрев электродвигателей и вращающихся машин, приводящий к ускоренному старению изоляции и возможной аварийности в результате однофазных КЗ и их перехода в многофазные замыкания;
- увеличивается потребление электроэнергии и требуемой мощности оборудования;
- происходят сбои и ложные срабатывания автоматических устройств релейной защиты;
- нестабильность работы электроники и вычислительной техники;
- некорректная работа электросчетчиков.
КЭ характеризуется показателями различного типа. Одна часть ПКЭ характеризует помехи, связанные с особенностями технологии генерации, передачи, распределения и потребления энергии. К таким ПКЭ относят отклонения напряжения и частоты, несимметрию и колебания напряжения, отклонения от синусоидальной формы кривой напряжения.
Другой тип показателей характеризует кратковременные помехи, которые возникают в результате коммутационных процессов, атмосферных и грозовых явлений, работы защитного оборудования и автоматики, а также послеаварийных режимов. К числу этих ПКЭ относят провалы, импульсы напряжения, кратковременные перерывы электроснабжения.
Анализ качества электроэнергии осуществляется путем измерения ПКЭ и соотнесения их с допустимыми значениями. Для этих целей используются системы мониторинга управления качеством электроэнергии (СМиУКЭ). Основными элементами таких систем являются анализаторы качества электроэнергии.
Система учета КЭ обеспечивает измерение нормируемых ПКЭ, обрабатывает результаты измерений, накапливает и систематизирует данные. Также осуществляются контроль за формированием отчетов и предоставление аналитической информации, на основе которых разрабатываются мероприятия по повышению КЭ [13].


2.7 Устранение высших гармоник систем электроснабжения предприятий

Источниками высших гармоник (ВГ) могут быть: а) силовые электронные аппараты: приводы постоянного тока с частотным регулированием, бесперебойники, выпрямители, устройства плавного пуска двигателя, импульсные ИП, индукционные печи с тиристорным управлением и различные полупроводники; б) электродуговые аппараты: дуговые печи, оборудование сварки, ртутные и люминесцентные лампы; в) аппараты, работающие в режиме насыщения: электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы и реакторы.
Влияние ВГ напряжения. Наличие высших гармоник в системах электроснабжения обусловливает следующие нежелательные проявления:
- затруднение компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторных батарей;
- появление дополнительных потерь в электрических машинах, трансформаторах и сетях;
- сокращение срока службы изоляции электрических машин и аппаратов;
- ухудшение работы устройств автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи;
- появление значительной дополнительной погрешности счетчиков электроэнергии и других измерительных приборов.
Основными формами воздействия ВГ на системы электроснабжения являются:
- увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов;
- снижение процессов генерации, передачи и использования электроэнергии;
- старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
- ложная работа оборудования.
Наличие в сетях конденсаторов, используемых для компенсации реактивной мощности, может привести к местным резонансам, которые, в свою очередь, могут вызвать чрезмерное увеличение тока в конденсаторах и выход их из строя.
Следует отметить, что и при отсутствии резонанса наличие высших гармоник в кривой питающего напряжения приводит к возрастанию потерь в конденсаторах по следующей причине.
Конденсаторы допускают определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в Великобритании, допускают перегрузку 15 %, в Европе и Австралии - 30 %, в США - 80 %, в РФ - 30 %. Если превышаются значения этих перегрузок из-за наличия высших гармоник, то конденсаторы перегреваются и выходят из строя.
При наличии в системах электроснабжения ВГ достаточно высокого уровня (при Кнсu=10 -15 %) потери в синхронных и асинхронных двигателях увеличиваются на несколько процентов. Если Кнсu - 5 %, то потери в трансформаторе увеличиваются на 5 %, а при Кнсu = 10 % эти потери возрастают уже до 20 %.
Увеличение потерь в АД, синхронных двигателях (СД) и трансформаторах объясняется повышением активного сопротивления обмоток из-за поверхностного эффекта, а также возрастанием потерь в стали из-за вихревых токов.
Наличие ВГ приводит к ускорению старения изоляции как из-за более интенсивного нагрева, так и вследствие усиления ионизационных процессов.
Ухудшение работы устройств автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи при наличии ВГ происходит из-за изменения формы синусоиды, что, в свою очередь, приводит к изменению ее характеристик амплитуды (может быть резкое пикообразное возрастание или глубокий «вырез» в области амплитуды); переход через нулевое или определенное заданное значение (например, при управлении углом открывания тиристоров) происходит в другой момент (или при другом угле), чем у «чистой» синусоиды; еще хуже, если переходов через ноль становится несколько за один полупериод (что имеет место при резонансных явлениях или большой суммарной мощности источников ВГ).