15.2. Характеристика режима напряжений

Напряжение - важнейший показатель режима электроэнергетичекой системы (ЭЭС), непосредственно влияющий на качество электрической энергии, надежность электроснабжения потребителей и экономичность работы ЭЭС [4].

Требования к качеству электрической энергии состоят в том, что нормируется ряд показателей режима напряжений, характеризующих его изменения при работе ЭЭС. С этими показателями можно подробно ознакомиться в ГОСТ 13109 – 97. Требования к качеству напряжения устанавливаются для точек сети, к которым присоединяются потребители электрической энергии. Важным показателем является отклонение напряжения, определяемое (%) как разность между фактическим и номинальным напряжением, отнесенная к последнему. В нормальных режимах работы ЭЭС отклонение напряжения в сетях до 1 кВ не должно превышать ±5% (в сетях 6 кВ и выше этот показатель не нормируется). В послеаварийных режимах работы ЭЭС отклонения напряжения в сетях до 1 кВ и 6 - 20 кВ не должны превышать ±10% (в сетях 35 кВ и выше этот показатель также не нормируется).

Допустимые снижения напряжений в ЭЭС определяются прежде всего условиями устойчивости параллельной работы генераторов электростанций и узлов нагрузки.

В сетях 6 - 20 кВ допустимое снижение напряжения определяется условиями работы потребителей, для которых, как было указано выше, даже в послеаварийных режимах понижение напряжения не должно быть более 10%. Следует также отметить, что допустимое снижение напряжения в питающих сетях, то есть на шинах высшего и среднего напряжения подстанций, определяется условиями работы сети, примыкающей к шинам низшего напряжения.

Д ля иллюстрации этого положения рассмотрим пример типовой понижающей подстанции 110 кВ (рис.15.1). На таких подстанциях обычно устанавливаются два понижающих трансформатора. На шинах 10 кВ подстанции присоединена местная сеть, при этом в соответствии с принципом встречного регулирования напряжения в нормальном режиме наибольших нагрузок напряжение на шинах 10 кВ должно быть не ниже 1,05 номинального, то есть 10,5 кВ. Современные трансформаторы 110 кВ мощностью 10 - 63 MBA имеют диапазон изменения коэффициента ±9×1,78% = ±16% от номинального значения. Расчет показывает, что потери напряжения в двух параллельно включенных трансформаторах при их загрузке на 70% от номинальной мощности не превышают 6 кВ. При этом при крайнем ответвлении устройства регулирования коэффициента трансформации минимальное напряжение на шинах 110 кВ составляет 102,5 кВ. В послеаварийном режиме, когда напряжение на шинах 10 кВ должно быть не ниже номинального, на шинах 110 кВ будет 97,8 кВ, то есть нижний допустимый предел отклонения напряжения по условиям обеспечения режима местной сети составляет 11%.

15.3. Показатели качества электроэнергии

Одним из основных показателей качества электроэнергии является частота трехфазного переменного тока. Обычно частота в электрических системах изменяется в относительно небольших пределах. Поэтому пользуются не полными значениями частоты f, а значениями отклонений частоты от номинального значения. Отклонением частоты называется разность между фактическим и номинальным значениями [4]:

(15.1)

В современных крупных автоматически регулируемых энергетических системах отклонения от номинальной частоты допускаются в пределах ±0,2 Гц. Относительно небольшие пределы допустимых отклонений от номинального значения объясняются существенным влиянием изменений частоты на экономические показатели работы электроприемников. Кроме того, частота регулируется одновременно во всей энергетической системе, а современные автоматические .устройства для регулирования частоты позволяют обеспечить изменение частоты в требуемых пределах. При этом практически не требуется удорожание этих устройств.

Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения. В зависимости от схемы включения электроприемников определяющим является фазное или междуфазное значение напряжения. В пределах электрической сети одной ступени трансформации значения напряжений изменяются в относительно небольших пределах, поэтому более показательными являются не полные значения напряжений, а значения отклонений напряжения V, обычно выражающиеся в процентах от номинального значения.

Отклонением напряжения для узла i называется разность между фактическим, действующим, и номинальным значениями, отнесенная к номинальному напряжению данной сети:

(15.2)

В условиях нормальной работы допускаются следующие предельные значения отклонений от номинального напряжения:

- на зажимах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения от -2,5 до +5%;

- на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления от

-5 до +10%;

- на зажимах остальных электроприемников в пределах ±5%.

В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%.

Значения предельно допустимых отклонений от номинального напряжения для электрооборудования также нормируются. У входных зажимов трансформаторов и автотрансформаторов допускаются отклонения напряжения не выше чем на 5% от номинального напряжения рабочего регулировочного ответвления. Генераторы и синхронные компенсаторы могут развивать номинальную мощность при отклонениях напряжения, равных ±5% от их номинального напряжения. Это приблизительно соответствует отклонениям, равным 0 - 10% от номинального напряжения соответствующей сети. При снижении располагаемой мощности могут быть допущены и большие отклонения напряжения, но не более чем на 10% относительно номинального напряжения генераторов и синхронных компенсаторов.

По условиям работы электрической изоляции допускаются повышения напряжения (относительно номинального) на зажимах электрических аппаратов с номинальными напряжениями: до 20 кВ включительно - не более чем на 20%; при 35 - 220 кВ - на 15%; при 330 кВ - на 10%; при более высоких напряжениях - на 5%.

Для сетей с несимметричными, нелинейными и резкопеременными нагрузками при оценке качества напряжения приходится учитывать дополнительные показатели. К числу их относятся: несимметрия трехфазной системы напряжений, несинусоидальность кривой напряжения, колебания напряжения.

Несимметрия трехфазной системы напряжений обычно характеризуется относительным значением напряжения обратной последовательности (%) [4]:

(15.3)

где , и - комплексные значения напряжений фаз a, b, c соответственно;

(15.4)

Смещение нейтрали определяется напряжением нулевой последовательности в размерных единицах:

(15.5)

Несимметрия напряжений допускается практически в относительно малых пределах - не более 2 - 3%.

Несинусоидальность кривой напряжения характеризуется составом высших гармонических порядка , каждая из которых определяется соответствующим действующим значением . В трехфазных сетях обычно возникают гармоники нечетного порядка. Значительными по величине могут быть действующие значения напряжения гармоник в пределах .

(15.6)

Колебания напряжения (%) характеризуются относительной разностью между наибольшим и наименьшим действующими значениями напряжения при скорости изменения напряжения, равной не менее 1% в секунду, то есть.

(15.7)

Для отдельных установок с резкопеременным характером нагрузки (например, в электрических сетях металлургических заводов с прокатными станами) допускаются колебания напряжения до 1,5% от номинального при неограниченной их частоте.

При оценке качества напряжения в распределительных сетях принимается во внимание интегральная оценка качества напряжения у электроприемников.

Нагрузки электрической сети в большинстве случаев являются случайными функциями времени. Поэтому изменение напряжений в отдельных пунктах сети и на зажимах электроприемников также имеет случайный характер.

Во всех случаях при использовании вероятностных методов рассматривают не действительные значения U(t) или V(t), a так называемые их кривые распределения, устанавливающие связь между возможными значениями случайной величины и вероятностью их появления.

Д ля иллюстрации на рис. 15.2 представлена кривая распределения случайной величины V, возможные значения которой последовательно отложены на оси абсцисс. По оси ординат отложены значения плотности вероятности φ(V). Из кривой распределения видно, что наиболее вероятным значением рассматриваемой случайной величины является некоторое ее среднее значение , которому соответствует наибольшее значение плотности вероятности .

П ри статистическом исследовании отклонений напряжения строят вариационный ряд распределения отклонений в виде ступенчатой диаграммы - гистограммы (рис.15.3). При этом по оси абсцисс откладывают последовательно возможные значения отклонений (, и т. д.), а по оси ординат - так называемые частоты или частости отклонений (, и т. д.). Если на гистограмме отложены частости, то общая площадь гистограммы. должна быть равна сумме частостей, то есть единице.

В ряде случаев для упрощения расчетов и анализа фактическую гистограмму или функцию распределения заменяют кривой, соответствующей так называемому нормальному закону распределения. Нормальный закон дает хорошее приближение для многих практических случаев. Основным условием, достаточным для того, чтобы нормальный закон распределения имел место, является возможность рассмотрения данной случайной величины как суммы большого числа взаимно независимых переменных.