Реферат: Ёзные проблемы, связанные с недопустимо большими потерями энергии (до 30%), ускоренным износом оборудования сетей, старением парка генераторов и трансформаторов

ВВЕДЕНИЕ


В настоящее время электрические сети Украины испытывают серьёзные проблемы, связанные с недопустимо большими потерями энергии (до 30%), ускоренным износом оборудования сетей, старением парка генераторов и трансформаторов. Одной из причин такого положения является ухудшение качества электрической энергии в сетях энергосистем, что крайне негативно отражается на технико – экономических показателях, как во всей системе, так и в отдельных её элементах. К основным показателям качества относятся отклонения напряжения и частоты от номинальных значений, несимметрия и несинусоидальность напряжения. К основным негативным последствиям следует отнести потери энергии в линиях, генераторах, трансформаторах и двигателях, к увеличению нагрева обмоток машин и трансформаторови, как следствие, ускоренному износу их изоляции.

В настоящее время над вопросами влияния качества электрической энергии на технико – экономические показатели работы электрических систем начинают заниматься исследовательские учреждения [ ]. Всё это говорит об актуальности существующей проблемы качества электрической энергии, учёта её последствий, а также путей и способов его улучшения. К экономическим показателям относится ущерб, причинённый в результате плохого качества электрической энергии. Под техническими показателями подразумевается: снижение производительности, уменьшение КПД, перегрев, сокращение технического ресурса, ускоренное старение изоляции. До настоящего времени, контроль за качеством электрической энергии в сетях нельзя считать достойным. Так, на атомных электростанциях контроль несимметрии напряжения осуществляется только в одной точке – на выводах турбогенератора блока с помощью фильтра напряжения обратной последовательности ФНОП – 1, соединённым с защитным реле.

В данной работе ставится целью исследование процессов в электрических системах при несимметрии и получение количественных характеристик влияния несимметрии на работу электрической системы.


^ 1 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ


Под показателем качества понимается количественная характеристика свойства продукции, рассматриваемая применительно к определённым условиям её создания, эксплуатации или потребления. Качество электроэнергии (КЭ) характеризует меру электромагнитного воздействия системы электроснабжения на приборы, аппараты и электрооборудование. КЭ проявляется через качество работы электроприёмников. КЭ оценивается через показатели качества. Чем выше показатель, тем ниже качество. Негативный смысл таких показателей заложен в их отрицательном воздействии на электрооборудование, которое возникает, если показатель не равен нулю. Качество электроэнергии ухудшается, если показатели качества превышают норму.[ ]

Показатели качества электроэнергии должны характеризовать в количественном отношении основные свойства электроэнергии, причём степень отрицательного воздействия должна соизмеряться со значениями этих показателей. Показатели качества электроэнергии можно разделить на нормируемые и ненормируемые. Стандарт (ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в электросетях систем электроснабжения общего назначения переменного трёхфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети различных потребителей электроэнергии. [ ]

Показателями качества электроэнергии являются:

- установившееся отклонение напряжения ;

- размах изменения напряжения ;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ;

- коэффициент n- ой гармонической составляющей напряжения ;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности


- отклонение частоты ;

- длительность провала напряжения ;

- импульсное напряжение ;

- коэффициент временного перенапряжения ;

При определении некоторых показателей КЭ используют следующие вспомогательные параметры электрической энергии:

- частоту повторения изменений напряжения ;

-вырезано

Временные перенапряжения – это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях за счёт энергии, накопленной в индуктивных или емкостных элементах. Такие перенапряжения носят кратковременный характер, определяемый длительностью процесса. Значение этого показателя оценивается коэффициентом временного перенапряжения в о.е. и его длительность в секундах:


(1.6)


где - максимальное из изменённых амплитудное значение напряжения.

На рисунке 1.1 приведены основные показатели качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (допустимые и предельно допустимые значения).

Снижение качества электроэнергии может привести к ряду отрицательных последствий технологического и электромагнитного характера это:

увеличение потерь активной мощности и электроэнергии;

сокращение срока службы электрооборудования;

нарушение нормального хода технологических процессов потребителей.

Влияние показателей качества электрической энергии на работу электрической системы можно продемонстрировать на рисунке 1.2.


Таким образом, отклонение показателей норм качества электрической энергии свыше допустимых пределов создаёт серьёзные проблемы эксплуатации электроэнергетических систем и сетей электропотребления, основной из которых является повышение потери энергии и нагревы обмоток. В первую очередь сюда относятся режимы работы электрических сетей и потребителей при пониженном напряжении, при возникновении несимметрии и несинусоидальности. В соответствии с этим в работе ставятся следующие задачи:

1.Исследование потерь энергии в асинхронном двигателе при сниженном напряжении.

2.Исследование работы асинхронного двигателя в условиях несимметрии напряжения питания.

3.Исследование потерь энергии в трансформаторах и линиях передач при несимметричной нагрузки.

4.Моделирование несимметричных режимов электрической системы для оценки дополнительных потерь мощности.

5.Разработка экспериментальной установки для опытного исследования режимов электрической системы в условиях низкого качества электрической энергии.


^ 2 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИКО – ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОЦЕНОК РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В НЕНОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

вырезано

(3.2.1)


Обозначим коэффициент несимметрии напряжения через

(3.2.2)


Так как и , то

(3.2.3)


Если , а , то т.е. при несимметрии в 10% вращающий момент двигателя уменьшится на 1%. Таким образом, влияние несимметрии на момент двигателя, даже при превышении допустимой величины = 5%, вдвое является незначительным.

Ток статора. Согласно эквивалентной схеме, ток короткого замыкания двигателя при номинальном симметричном напряжении можно принять равным


(3.2.4)

Сопротивление обратной последовательности согласно эквивалентной схеме, равно


(3.2.5)


Так как < , то при напряжении обратной последовательности

ток статора обратной последовательности

будет больше тока . Это изменение тока можно выразить примерной величиной .

С целью приближённого анализа примем ток обратной последовательности при равным .

Тогда при несимметрии напряжения ток

В схеме прямой последовательности при длительном режиме работы cosφ1 = 0,8 ÷ 0,9. Для схемы обратной последовательности .

Поэтому взаимное расположение звезд векторов прямой и обратной последовательности может быть различно. В худшем случае, когда токи в одной из фаз совпадают, двигатель можно нагружать, так, чтобы


или (3.2.6)


Так как , а , где – кратность пускового тока, то допустимый ток статора будет равен


(3.2.7)


Хотя меньше единицы, но так как , т.е. значительно больше единицы, то несимметрия напряжения может приводить к необходимости значительного снижения нагрузки. Так, например, при и допустимая нагрузка по току будет равна около 40% от номинальной. Для асинхронных двигателей с большим воздушным зазором ток холостого хода может составлять до 30% - 40% номинального тока. Следует учесть также, что если появление несимметрии приводит к снижению напряжения прямой последовательности, то в машине увеличивается скольжение и ухудшаются условия самоохлаждения, а это дополнительное ухудшение теплового состояния.


3.3 Влияние пониженного напряжения на режим и потери асинхронного двигателя.


В сетях питания асинхронных потребителей или, как их называют, в вырезано

имеют малые значения номинальных скольжений. При уменьшении напряжения скольжение возрастает, но не более чем до критического, так при

двигатель потеряет устойчивость.

Уменьшение частоты вращения при снижении напряжения за счет увеличения скольжения на столько незначительно, что можно не считаться с изменением момента сопротивления на валу в приводе циркуляционных механизмов.

Это обстоятельство позволяет принять ≈ const и определять скольжение формулой (3.3.6 а). Отношение критического скольжения к кратности максимального момента определяет собой коэффициент статизма характеристики момента на устойчивой части от = 0 до =


(3.3.9)


С учетом (3.9) выражение для скольжения (3.3.8 а) примет вид


(3.3.10)


Определим далее величину потерь в обмотках машин, выразив их через скольжение .

Для номинальных условий электромагнитная мощность, передаваемая от статора ротору


(3.3.11)

Пренебрежем механическими потерями ввиду их малости, а также исходя из того что эти потери не влияют на нагрев обмоток. Для произвольной нагрузки машины потери в обмотке ротора


(3.3.11а)



где – момент сопротивления в относительных единицах.

, откуда

Учтем, что при скольжении до критического сопротивления статора

т.е. равно приведенному сопротивлению ротора. В этом случае потери в меди статора примерно равны потерям в роторе и, следовательно, суммарные потери в обмотках можно выразить через удвоенные потери в роторе


(3.3.12)


Подставляя в (3.3.12) скольжение (3.3.6 б) найдем


(3.3.13)


Потери в обмотках легко можно выразить в долях номинальных мощностей, а так же в долях суммарных номинальных потерь. Потери в номинальном режиме суммируются


Тогда


(3.3.14)


Формула (3.3.13) позволяет оценить изменение потерь уменьшения напряжения <1,0 для различных коэффициентов статизма

рабочей части характеристики момента нагрузки в долях номинальных потерь. Расчет по формуле (3.3.14) не учитывает, что фактические потери будут несколько меньше, если нагрузка на валу машины является квадратичной, как в случае циркуляционных (центробежных) механизмов. Однако, следует учесть, что ток статора

за счет намагничивающего тока . В то же время, при уменьшении напряжения намагничивающий ток уменьшается .

Таким образом, расчетная формула (3.3.14) уточнения и экспериментальной поверки на физических моделях, может быть положена в основу расчетных алгоритмов, реализующих с помощью микропроцессорного обеспечения различные защитные функции.


^ 4 РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ


вырезано


Ток обратной последовательности:


Дополнительные потери от несимметрии:


Таким образом, превышение потерь:


(5.2.3)


Для выражения дополнительных потерь через параметры трансформатора и режим загрузки по току воспользуемся соотношением:


(5.2.4)


Выражение получено из опыта короткого замыкания, когда при номинальном токе закороченного трансформатора определяются потери в нём:


Тогда

но


откуда


Можно показать, что максимальное превышение достигается во втором случае. Максимальное отклонение:


(5.2.5)

формула (5.2.3) может быть использована как практическая, для оценки увеличения потерь при несимметрии, которое даёт максимальное значение этих потерь при условии неизменности передаваемой через трансформатор мощности.

При рассматриваемых условиях максимальное отклонение , определяет по сути ток обратной последовательности.

Из первого уравнения (5.1.3) потери короткого замыкания


(5.2.6)


представляют потери в меди от номинального тока на сопротивлениях трёх фаз. Сравним выражения для дополнительных потерь на этих же сопротивлениях при несимметрии тока:


(5.2.7)


Умножим правую часть равенства (5.2.7) на и разделим на :


(5.2.8)


где - каталожная мощность потерь в обмотках, то есть при симметричном номинальном токе;

- коэффициент тока обратной последовательности, равный отношению тока обратной последовательности к номинальному току.

Суммируя потери в трансформаторе при несимметрии тока, слагаемые из потерь симметричной нагрузки и дополнительных потерь (5.2.8) можно определить по формуле:


(5.2.9)


вырезано


(6.10)


Система линейных напряжений будет иметь вид:


(6.11)


Из полученных соотношений следует, что несимметричное подключение однофазных нагрузок в общем случае вызывает несимметрию фазных и линейных напряжений. Величина несимметрии зависит от значений сопротивле­ний всех последовательностей нагрузок, линии и транс­форматора на ТП. При этом, очевидно, что несимметрия системы фазных напряжений, которая формируется под воздействием и составляющих нулевой последователь­ности, выражена значительно сильнее, чем несимметрия системы линейных напряжений, в соотношениях для ко­торой отсутствует слагающая нулевой последователь­ности. Тем не менее, при подключении однофазных нагру­зок возможны несимметричные режимы, при которых необходимо считаться и с не­симметрией линейных на­пряжений у трехфазных электроприемников.

Получили строгие со­отношения для определения несимметрии напряжения, вызванной в трехфазной четырехпроводной сети несим­метричной системой токов нагрузки.

Изложенный выше алгоритм можно реализовать, используя среду MATHCAD. Предложено два варианта расчёта несимметричных трёхфазных цепей: первый - с использованием метода симметричных составляющих, второй – непосредственный расчёт трёхфазных цепей. Программы расчётов прилагаются (приложение 1,2).


^ 7 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НА ЕЁ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ


7.1 Схема экспериментальной установки


Схема установки изображена на рисунке 7.1. Основными элементами установки являются:

1.Синхронный генератор СГ, как источник трёхфазного тока;

2.Трансформатор Т, как элемент линии связи генератора с нагрузкой;

3.Нагрузка в качестве которой служит асинхронный двигатель АД.

Синхронный генератор приводится во вращение двигателем постоянного тока М. Электрическая энергия от генератора СГ через трансформатор Т передаётся асинхронному двигателю АД, нагрузкой для которого является генератор постоянного тока Г, подключённый к нагрузочному тумбовому реостату Rнг.


Рисунок 7.1

вырезано


7.6 Использование результатов эксперимента исследований к моделированию режимов электрических систем.


В качестве расчётной модели электрической системы принята модель, схема которой представлена на рисунке 7.4, где НН – несимметричная нагрузка.


Рисунок 7.4


Моделирование процессов в системе производится в два этапа:

Этап 1. Моделирование несимметричного режима в автономной системе при резко несимметричной нагрузке НН. В результате моделирования для произвольной загрузки системы по мощности

получаем составляющие напряжения и тока прямой и обратной последовательностей в точках 1,2,3 4 системы. Эти данные могут быть рассчитаны с использованием разработанной математической моделью или определены экспериментальным путём. В условиях эксплуатации необходимые коэффициенты несимметрии в контрольных точках системы могут быть измерены и переданы к месту обработки информации.

Этап 2: Определение дополнительных потерь от несимметрии для каждого элемента системы, не входящего в нагрузку НН, а именно: в генераторе, трансформаторах, линии передач и в асинхронном двигателе. Расчёты потерь производятся по формулам третьего, четвёртого и пятого разделов. Проверка расчётных формул производится экспериментально на установке.

Экспериментальное подтверждение расчётных соотношений, полученных ранее, позволит оценить достоверность моделирования (совместно первого и второго этапов) энергетических потерь в системе с низким качеством электрической энергии, вызванным резко несимметричной нагрузкой.


СОДЕРЖАНИЕ


СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ………………………………

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ………………………………………….

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИКО – ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОЦЕНОК РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ НЕНОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ…………………...

^ 3. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ПРИ СНИЖЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ И НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1 Характеристика режима асинхронного двигателя при несимметрии напряжения……………………………………………………………………...

3.2 Приближённая оценка влияния несимметрии напряжения на асинхронный двигатель…………………………………………………......

3.3 Влияние пониженного напряжения на режим и потери асинхронного двигателя…………………………………………………….

4. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НЕСИММТЕРИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ…………………………..

^ 5.ПОТЕРИ МОЩНОСТИ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОМ РЕЖИМЕ ТРАНСФОРМАТОРА И ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ.

5.1 Потери мощности при симметричном режиме………………………..

5.2 Потери мощности при несимметричном режиме трансформатора и линий электропередач…………………………………………………...….

6. ЗАВИСИМОСТЬ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ОТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТЕЙ………………………………..

^ 7.ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА ЕЁ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

7.1 Схема экспериментальной установки………………………………….

7.2 Основные режимы для исследований на установке…………………..

7.3 Измерения и приборы…………………………………………………...

7.4 Схемы экспериментов и задачи исследований………………………..

7.5 Задачи экспериментальных исследований…………………………….

7.6 Использование результатов экспериментальных исследований к моделированию режимов электрических систем…………………………

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..

БИБЛИОГРАФИЯ……………………………………………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………………...

2…………………………………………………………

3…………………………………………………………


^ СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ


КЭ – качество электрической энергии,

ГОСТ – государственный стандарт,

КПД – коэффициент полезного действия,

НН – несимметричная нагрузка,

ФНОП – фильтр напряжения обратной последовательности,

ЭДС – электродвижущая сила,

АД – асинхронный двигатель,

РПН – регулирование под напряжением,

ТП – трансформаторная подстанция,

СГ – синхронный генератор,

Г – Д – система генератор – двигатель,

ОВД – обмотка возбуждения двигателя,

ОВГ – обмотка возбуждения генератора,

Т – трансформатор,

ПМ – пускатель масляный,

ИК – измерительный канал,

КЗ – короткое замыкание.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В результате исследования процессов в электрических системах при несимметрии напряжений, были получены количественные характеристики влияния указанного явления на работу электрической системы. В результате исследования потерь энергии в асинхронных двигателях при сниженном напряжении, дополнительных потерь при несимметрии напряжения в асинхронных двигателях, трансформаторов и линиях электропередач удалось связать величины дополнительных потерь с общепринятыми показателями оценки несимметрии и сниженного напряжения.

Для количественных оценок последствий несимметрии рассмотрена модель несимметричного режима, которая в общем случае может быть применена для достаточно сложных систем. Рассмотренная задача является основой для постановки и организации систем контроля электрической системы, что является актуальной проблемой в настоящее время. При организации контроля качества электроэнергии по энергорайону в основных характерных точках и узлах можно, используя сбор и машинную обработку информации по программе разработанной математической модели держать под контролем и потери в системе и фактическую выработку ресурса всех основных элементов системы.

Задачи экспериментальных исследований заключались в проверке расчётных соотношений полученных теоретически, для дополнительных потерь в асинхронном двигателе, трансформаторе и линиях передач при различной степени несимметрии. Экспериментальное подтверждение расчётных соотношений, позволит оценить достоверность моделирования энергетических потерь в системе с низким качеством электрической энергии, вызванным несимметрией нагрузки.


БИБЛИОГРАФИЯ


Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986.168с.

ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Бабушкин В.М., Волков В.П., Сухонос К.Б., Показатели качества электрической энергии и их влияние на работу электроприёмников. \\ Энергетика и Электрификация №10, 2007.

Зевеке Г.В., Ионкин П.А.,и др. Основы теории цепей. М.: Энергоатомизат, 1989.527с.

Кужеков С.Л., Гончаров С.С. Городские электрические сети. Р-на-Д:Издательский центр «Март». 2007.255с.

Левин М.С., Мурадян А.Е., Сырых Н.Н. Качество электроэнергии в сетях сельских районов. М.: Энегрия, 1975. 224с.

Тарасенко В.М., Васильченко В.Н., и др. Контроль и управление качеством электрической энергии на шинах систем электроснабжения собственных нужд АЭС.\\ Энергетика и Электрификация №3, 2007.