Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

230 Качество электрической энергии и его обеспечение Гл. 5

тотрансформаторами. Поскольку симметрирующие устрой-

ства содержат

БК,

целесообразно применять такие схемы,

в которых одновременно симметрируется режим

генери-

руется

Q с

целью

ее

компенсации. Устройства

для

одновре-

менного симметрирования режима

компенсации

нахо-

дятся

стадии разработки.

Снижение несимметрии

четырехпроводных городских

сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока

нулевой последовательности

/о и

снижения сопротивления

нулевой последовательности

элементах сети. Уменьше-

ние

/о в

первую очередь достигается перераспределением

нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использова-

нием сетей,

которых

все или

часть трансформаторов

ра-

ботают параллельно

на

стороне

НН.

Снижение

можно

легко осуществить

для

воздушных линий 0,38 кВ, которые

обычно сооружаются

районах

малой плотностью

на-

грузки. Целесообразность уменьшения

Zo для

кабельных

линий,

т. е.

увеличения сечения нулевого провода, должна

быть специально обоснована соответствующими технико-

экономическими расчетами.

Существенное влияние

на

несимметрию напряжений

в сети оказывает схема соединения обмоток распредели-

тельного трансформатора

(РТ)

6—10/0,4 кВ. Большинство

РТ,

установленных

сетях, имеют схему звезда — звезда

с нулем (У/У

). Такие

РТ

дешевле,

но у них

велико

Ze.

Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой

РТ,

целесообразно применять схемы соединения треугольник—

звезда

нулем (Д/Уо)

или

звезда—зигзаг (У/Z). Наиболее

благоприятно

для

снижения несимметрии применение схе-

мы

У/Z.

Распределительные трансформаторы

таким

со-

единением более дорогие,

изготовление

их

очень трудоем-

ко.

Поэтому

их

надо применять

при

большой несимметрии,

обусловленной несимметрией нагрузок

и Z

линий.

5.11.

НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

МЕРОПРИЯТИЯ

ПО

БОРЬБЕ

С НЕЮ

Причины возникновения несинусоидальности напряже-

ний

токов — наличие вентильных преобразовательных

установок

электроприемников

нелинейной вольт-ампер-

ной характеристикой. Основное влияние оказывают вен-

тильные преобразователи, которые

настоящее время

ши-

$5.11 Несинусоидальность

электроэнергетических системах

231

роко применяются в промышленности и на транспорте.

Наиболее распространены вентильные преобразователи на

полупроводниках (тиристорные преобразователи), мощ-

ность которых все время растет. Вентильные преобразова-

тели широко применяются для преобразования перемен-

ного тока в постоянный и используются в качестве источни-

ков питания на металлургических заводах для термических

устаиовок, на химических заводах и предприятиях цветной

металлургии для электролизных установок, на машино-

строительных и других предприятиях для установок элек-

тродуговой и контактной сварки Выпускаются тиристор-

ные преобразовательные агрегаты мощностью до 12МВт

дли апюматизированных электроприводов постоянного то-

ка, широко применяемых в промышленности. Тиристорные

преобразователи используются в преобразователях часто-

ты,

в различного рода переключающих устройствах, а так-

же в специальных регулируемых приводах, например к бу-

мага- и картоноделательным машинам, кранам и другим

механизмам с электродвигателями, имеющими релейно-

контакторное управление.

Вентильные преобразователи применяются для питания

электрифицированного железнодорожного, а также внутри-

заводского и городского транспорта.

Электроприемники с нелинейной вольт-амперной харак-

теристикой — это, например, газоразрядные линии (ртут-

ные и люминесцентные), распространенные в промышлен-

ных и городских сетях.

В энергосистемах в линиях постоянного тока, а также

во вставках, предназначенных для параллельной работы

энергосистем с различной частотой (см. гл. 7), используют-

ся вентильные преобразователи переменного тока в постоян-

ный и наоборот. В энергосистемах применяют токоограни-

чивающие устройства и источники реактивной мощности

(ИРМ), использующие тиристорные преобразователи

Источниками несинусоидальиости в энергосистемах мо-

гут быть также генераторы или трансформаторы при рабо-

те их на нелинейной части кривой намагничивания. Как

правило, генераторы и трансформаторы работают при от-

носительно невысоком насыщении стали, т. е. на линейной

части кривой намагничивания, и создаваемые ими высшие

гармоники настолько малы, что их можно не учитывать.

В общем случае источники несинусоидальности оказыва-

232 Качество электрической энергии и его обеспечение Гл. б

ются включенными несимметрично, например тяговые под-

станции железных дорог, электрифицированные на перемен-

ном токе, а также дуговые сталеплавильные печи. При этом

подключаются к сети однофазные преобразователи, каж-

дый из которых регулируется по собственной нагрузке.

В этих случаях надо учитывать совместно и иесинусоидаль-

ность, и несимметрию напряжений и токов.

Неблагоприятное влияние несинусоидальности на рабо-

ту сетей, электрооборудования и электроприемников состо-

ит в следующем: 1) появляются дополнительные потери

в электрических машинах, трансформаторах и сетях, а так-

же дополнительные отклонения напряжения; 2) затрудня-

ется компенсация реактивной мощности с помощью БК;

3) сокращается срок службы изоляции электрических ма-

шин и аппаратов; 4) ухудшается работа устройств авто-

матики, телемеханики и связи.

Высшие гармоники напряжений и токов приводят к до-

полнительным всегда положительным отклонениям напря-

жения у приемников. Для осветительных и нагревательных

приборов важно действующее значение напряжения, опре-

деляемое по формуле

i/ =

l/l^'

21)

' v=l

где (/

: при v>

— напряжения высших гармоник, кратных

гармонике основной частоты Ни при N — порядок послед-

ней из учитываемых гармонических составляющих напря-

жения.

Гармоники относительно низких порядков (v^7) в наи-

большей мере влияют на дополнительные потери мощности

и энергии в электрических машинах и в линиях электриче-

ских сетей.

В соответствии с ГОСТ 1282—79* Е БК могут длительно

работать при перегрузке их токами высших гармоник не

более чем на 30 %; допустимое повышение напряжения со-

ставляет 10 %. Однако при длительной эксплуатации БК

даже в этих допустимых условиях срок их службы сокра-

щается, поскольку наличие высших гармоник в кривой на-

пряжения, даже в допустимых пределах, приводит к интен-

сификации процесса старения диэлектрика конденсаторов.

Батареи конденсаторов обладают относительно малыми со-

§5.11

Несинусоидальность

электроэнергетических системах

233

противлениями для высших гармоник, так как лгс=

1/соС,

а чем выше номер гармоники, тем больше о; БК периодиче-

ски оказываются в режиме, близком к резонансу токов на

частоте какой-либо из гармоник; вследствие систематиче-

ских перегрузок они быстро выходят из строя.

Несинусоидальность напряжений и токов вызывает уско-

ренное старение изоляции электрических машин, трансфор-

маторов и кабелей в основном в результате повышенного

нагрева, а также из-за возникновения и протекания в изо-

ляции ионизационных процессов, обусловливающих ее ста-

рение при высоких частотах электрического поля. Для

•мифических машин, трансформаторов и кабелей наиболее

су

шее

iпенно тепловое старение изоляции. Влияние полей

высших гармоник на ионизационные процессы в изоляции

проявляется лишь при весьма значительных искажениях

форм кривых напряжений, и этим влиянием можно прене-

бречь.

Высшие гармоники в кривой напряжения приводят к со-

кршцению срока службы кабелей, повышению аварийности

и кабельных сетях, увеличению числа необходимых ремон-

тов,

а следовательно, к увеличению затрат на их эксплуа-

тацию.

Наличие высших гармоник токов и напряжений сущест-

иенно увеличивает погрешности активных и реактивных

счетчиков индукционного типа. Помехи, вызываемые выс-

шими гармониками, могут привести к ухудшению работы

устройств автоматики, телемеханики и связи как на про-

мышленных предприятиях, так и в энергосистемах. Гармо-

ники тока, проникая в сети энергосистем, приводят к ухуд-

шению работы высокочастотной связи и систем автоматики,

а также вызывают ложные срабатывания некоторых релей-

ных защит.

Как отмечалось в § 5.1, несинусоидальность напряжений

и токов вызывает нарушения технологических процессов

в большей мере, чем все остальные параметры качества

электроэнергии.

Ущерб из-за несинусоидальности токов и напряжений

в основном обусловлен дополнительными потерями мощно-

сти и сокращением срока службы изоляции электрообору-

дования (в первую очередь электродвигателей).

Допустимые значения коэффициента несинусоидальности

кривой напряжения

234 Качество электрической анергии

и его

обеспечение

Гя 5

*нсС/=—тг^

100

'-'ном

по ГОСТ 13109—87 приведены в § 5.1.

Снижение несинусоидальности напряжений и токов не-

обходимо в тех случаях, когда значения токов или напря-

жений высших гармоник больше допустимых. Целесообраз-

ность мер по понижению несинусоидальности может быть

также обусловлена и улучшением технико-экономических

показателей работы элементов электрических сетей и ЭП.

Снижение несинусоидальности можно осуществить одним

из следующих способов: 1) снижением уровня высших гар-

моник, генерируемых вентильными преобразователями;

2) рациональным построением схемы электрической сети;

3) использованием фильтров высших гармоник.

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых пре-

образователями, можно осуществить за счет увеличения

числа фаз выпрямления в преобразовательных установках

(как правило, до 12) или применения специальных схем

преобразователей и законов управлениями ими, обеспечи-

вающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. се-

тевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения сни-

жения несинусоидальности состоит, например, в питании

нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформа-

торов либо подключении их к отдельным обмоткам трехоб-

моточных трансформаторов. На рис. 5.10 приведены схемы

питания района города от ЦП шин низшего напряжения

районной подстанции, на которой установлен трансформа-

тор Т. Нагрузка S

„ питается непосредственно от шин ЦП,

а нагрузка S

— от шин распределительного пункта РП.

На рис. 5.10, а выпрямительная установка (ВУ) электротя-

говой подстанции через специальный трансформатор Г

присоединена к шинам РП. Если к

и больше допустимой

величины, то для снижения несинусоидальности надо пи-

тать ВУ от отдельной линии ЦП—РП (рис. 5.10, б). Другой

способ рационального построения сети состоит в примене-

нии в преобразовательных агрегатах трансформаторов

с первичным напряжением ПО—220 кВ (рис. 5.10, в), ис-

ключающих влияние несинусоидальиости на потребителей

I 5.11

Несинусоидальность

электроэнергетических системах

235

распределительных сетей 0,38—10

кВ.

При такой схеме сети

высшие гармоники, генерируемые преобразователями, по-

падают с шин высшего напряжения районной подстанции

сразу в питающую сеть ПО—220 кВ (рис. 5.10, в), а не

в распределительную сеть 0,38—10 кВ (рис. 5.10, а, б). Од-

нако в этом случае могут появляться недопустимые напря-

110 -220 к В 6-20 к В

I * §

+Ф-Р-

ЦП

110-220 К В

6-20 кВ

"ipit

'ел/

РП

ВУ

а)

-{-<$>

1W-220KZ

1Ц.П

-*-s

ЦП

РП Ту

Рис 5.10. Схемы питания выпрямительной установки:

—

по общей линии, б— по отдельной линии; в

—

трансформатор выпрямительной

установки с первичным напряжением 110—220 кВ

жения гармоник в питающих сетях энергосистемы. Эффек-

тивность питания преобразователей от трансформаторов

110—220 кВ (рис. 5.10, в) ограничивается возможностью по-

явления недопустимых высших гармоник напряжений и то-

ков в питающих сетях энергосистемы. Применение схемы

на рис.

5.10,6

допустимо в промышленных сетях при отсут-

ствии резонанса токов или напряжений и других нежела-

тельных последствий несинусоидальиости в питающих се-

тях.

236

Качество электрической энергии

и его

обеспечение

Гл. 5

Использование фильтров — распространенный способ

снижения уровня высших гармоник. За рубежом распрост-

ранено мнение, что установка фильтров более экономична,

чем увеличение числа фаз преобразователей. Фильтр выс-

ших гармоник представляет собой последовательно соеди-

ненные реактор и БК (рас. 5.П).

Параметры реактора и БК. подбира-

ют так, чтобы их результирующее

сопротивление для определенной

частоты гармоники было равно ну-

=р лю. В общем случае на каждую гар-

I монику нужен свой фильтр. Фильтр

образует ветвь с очень малым со-

Рис.

5.11.

Схема фильтра противлением, параллельную элек-

высших гармоник трической сети, шунтирует ее на

частоте заданной гармоники и соот-

^г^ТеГрГвлениеТе' ветственно снижает напряжение

актора и БК фильтра ЭТОЙ ГарМОНИКИ. ТЭКИе фИЛЬТрЫ МО-

гут присоединяться как в местах ге-

нерации высших гармоник (на вен-

тильных установках), так и в узлах сети с недопустимым

уровнем гармоник тока или при резонансе токов.

Батареи конденсаторов, применяемые в фильтрах, целе-

сообразно одновременно использовать для компенсации ре-

активной мощности. Экономически целесообразно примене-

ние таких многофункциональных устройств, предназначен-

ных не только для снижения синусоидальности, но и для

компенсации Q. Такие установки часто называют фильтро-

компенсирующими (ФКУ). При определенных условиях

ФКУ могут использоваться также для симметрирования на-

пряжения в сети [15].

Иногда для исключения резонансных явлений на опре-

деленной гармонике последовательно с БК может быть

включен защитный реактор.

Вопросы для самопроверки

Каковы последствия низкого качества электроэнергии

и как нормируются показатели качества?

Что такое встречное регулирование напряжения?

Каковы возможности регулирования напряжения на

электростанциях?

§ 6.1

Задачи

методы

проектирования энергосистем

237

Кпк пояснить возможность или невозможность осу-

щестпжчши встречного регулирования трансформаторами

с Illili и РПН?

Как осуществляется продольное, поперечное и про-

дольно-поперечное регулирование напряжения?

(i.

В чем состоит регулирование напряжения изменением

сопротивления сети? Какие при этом применяют устрой-

ства?

Какие устройства применяют для регулирования на-

пряжения изменением потоков реактивной мощности сети

и каковы соответствующие векторные диаграммы напряже-

ний

токов?

8. Каковы методы и средства регулирования напряже-

ния и области их применения?

9. Каковы составляющие ущерба из-за несимметрии то-

ков и напряжений и мероприятий по снижению несиммет-

рии?

10.

Как нормируется несинусоидальность, каковы ущерб

от нее и мероприятия по ее снижению?

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

6.1.

ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЭНЕРГОСИСТЕМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Задача проектирования энергосистем состоит в разра-

ботке и технико-экономическом обосновании решений, оп-

ределяющих развитие энергосистем, обеспечивающих при

наименьших затратах снабжение потребителей электриче-

ской и тепловой энергией при выполнении технических огра-

ничений по надежности электроснабжения и качеству элек-

троэнергии.

Проектирование энергосистем и электрических сетей на-

чинается с выполнения комплекса так называемых

внеста-

дийных

проектных

работ.

В результате выполнения этих

работ разрабатываются обосновывающие материалы для

определения экономической эффективности и целесообраз-

ности проектирования, строительства или реконструкции

238 Технико-экономические

расчеты

электрических сетях

Гл. 6

и расширения электросетевых объектов большой стоимости

(4 млн. руб. и больше).

Комплекс внестадийных проектных работ включает схе-

мы развития энергосистем и электрических сетей. Краткая

характеристика схем развития приведена в [10]. В комплекс

внестадийных проектных работ кроме схем развития энерго-

систем и электрических сетей включаются разработки

энергетических и

электросетевых

разделов в составе проек-

тов электростанций, а также схемы внешнего электроснаб-

жения объектов народного хозяйства, т. е. электрифици-

руемых участков железных дорог, нефте- и газопроводов,

промышленных узлов и отдельных предприятий.

На основании всего комплекса внестадийных работ по

проектированию развития энергосистем и электрических

сетей на срок не менее 15 лет (по пятилеткам) Минэнерго

СССР разрабатывает «Схему развития и размещения от-

расли «Электроэнергетика», которая является исходной ба-

зой для подготовки разделов по электроэнергетике основ-

ных направлений экономического и социального развития

СССР и очередного пятилетнего плана. Через каждые 5 лет

в схему развития отрасли вносятся необходимые уточнения.

После утверждения обосновывающих материалов начи-

нается стадийное проектирование электросетевых объектов.

Проект развития электрических сетей может выполнять-

ся в качестве самостоятельной работы, называемой «Схе-

мой развития электрической сети энергосистемы» (объеди-

ненной, районной, города, промышленного узла и т. д.), или

как составная часть схемы развития энергосистемы. При

проектировании электрических сетей увязываются решения

по развитию сетей различных назначений и напряжений.

На различных этапах проектирования электрических сетей

решаются разные по составу и объему задачи, которые

имеют следующее примерное содержание:

анализ существующей сети рассматриваемой энергосис-

темы (района, города, объекта), включающий ее рассмот-

рение с точки зрения загрузки, условий регулирования на-

пряжения, выявления «узких мест» в работе;

определение электрических нагрузок потребителей и со-

ставление балансов активной мощности по отдельным под-

станциям и энергоузлам, обоснование сооружения новых

понижающих подстанций;

выбор расчетных режимов работы электростанций (если

§ 6.1

Задачи

методы проектирования энергосистем

239

К рассматриваемой сети присоединены электростанции)

И определение загрузки проектируемой электрической сети;

члекфические расчеты различных режимов работы сети

И обоснование схемы построения сети на рассматриваемые

расчетные уровни;

проверочные расчеты статической и динамической устой-

чивости параллельной работы электростанций (выполняют-

ся,

как правило, только при проектировании электрических

сетей объединенных или достаточно мощных отдельных

энергосистем), выявление основных требований к системе

противоаварийной автоматики;

составление баланса реактивной мощности и выявление

условий регулирования напряжения в сети, обоснование

пунктов размещения компенсирующих устройств, их типа

и мощности;

расчеты токов КЗ проектируемой сети и установление

требований к отключающей способности коммутационной

аппаратуры, разработка предложений по ограничению

мощности КЗ;

выбор и обоснование количества, мощности и мест уста-

новки дугогасящих реакторов для компенсации емкостных

токов (как правило, производится только для сетей 35 кВ

и ниже);

сводные данные по намеченному объему развития элек-

трической сети, натуральные и денежные показатели, оче-

редность развития [10].

Содержание проектов развития электрических сетей по-

казывает, что в них входит очень широкий круг вопросов.

С точки зрения системного подхода следует вести проекти-

рование для всей сети электроэнергетической системы, на-

чиная от шин электростанций и включая всех потребителей.

При этом необходимо рассматривать схемы электростанций

и подстанций, решать вопросы защиты от перенапряжений,

выбирать устройства защиты и автоматики для автомати-

ческого управления и регулирования режима работы элек-

трической системы, включая сети всех напряжений. Такая

задача чрезмерно громоздка, практически ее можно решать

только по частям — проектировать отдельно сети различ-

ных назначений, электростанции и подстанции, защиту от

перенапряжений, релейную защиту, устройства автоматики

и т. д. При проектировании каждой из этих частей отдель-

ные части представляются приближенно, в них учитывают-