2784.Электроснабжение предприятий Верхнекамского калийного месторождени

ния HI, действуя через релейное устройство, отключит батарею. Если же действием ЭВЧС батарея будет отключена, а напряжение в сети окажется ниже заданного, то реле Н1 опять включит батарею, а при повышении на­ пряжения реле Н1 даст импульс на её отключение. Управление включением и отключением конденсаторной батареи может производиться также кноп­ ками Кт И Капп.

Глава двенадцатая. Нелинейные нагрузки в системах электроснабжения и пути решения проблем, связанных

сих применением

12.1.Проблемы, создаваемые нелинейными нагрузками

Начиная с 60-х годов прошлого столетия в системах электроснаб­ жения предприятий Верхнекамского месторождения калийных солей стали широко применяться нелинейные нагрузки.

Нелинейными называют такие нагрузки, которые потребляют из се­ ти электроснабжения несинусоидальный по форме ток, что в свою оче­ редь может привести к искажению формы питающего напряжения, а также значительную реактивную мощность.

Одними из самых распространённых нелинейных нагрузок, оказы­ вающих порой существенное влияние на питающую сеть и другие потре­ бители, запитанные от этой же сети, являются тиристорные преобразова­ тели постоянного и переменного тока. К настоящему времени практиче­ ски на всех стационарных установках рудоуправлений для возбуждения электрических машин используются тиристорные преобразователи по­ стоянного тока мощностью до 100 кВт. Доля этой мощности в суммарной мощности обычных потребителей электроэнергии практически ничтож­ на, поэтому эти преобразователи пока не оказывают существенного влияния на питающую сеть. Положительную роль здесь играет прежде всего высокая мощность короткого замыкания энергосистемы калийных предприятий. Сегодня существует тенденция применения тиристорных приводов мощностью в несколько тысяч киловатт, приходящих на замену приводам подъёмов по системе Г-Д, каскадным схемам пуска привода на вентиляторных установках главного проветривания. Приближается эра широкого применения тиристорных и транзисторных частотно­ регулируемых электроприводов мощностью до 300 кВт как на объектах поверхностного комплекса, так и в руднике.

В последнее время на калийных предприятиях для приводов с тя­ жёлыми условиями пуска стали применяться трёхфазные тиристорные регуляторы напряжения, также являющиеся источниками высших гармо­ ник.

Определённая часть сварочных установок, работающих на посто­ янном токе, т.е. имеющих в своём составе управляемый или неуправляе­ мый выпрямитель, служит источником гармоник тока. Для плавного ре­ гулирования переменного тока при сварке применяются установки с встречно параллельно включёнными тиристорами на первичной стороне трансформатора.

Для нагрева деталей и плавки металла в механических мастерских в отдельных случаях используются электродуговые печи.

Нелинейными характеристиками обладают обычные силовые трансформаторы, магнитные усилители и газоразрядные лампы. Харак­ терной особенностью этих устройств является потребление ими из сети несинусоидальных токов при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. Проблемы, создаваемые трансформаторами, двигателями и генераторами при работе их на нелинейной части кривой намагничива­ ния, относительно невелики, так как это оборудование обычно работает в условиях относительно невысокого насыщения стали и поэтому в даль­ нейшем не рассматриваются.

Основными источниками проблем являются вентильные преобра­ зователи (тиристорные) как наиболее часто встречающиеся на калийных предприятиях. Необоснованное и непродуманное массовое применение нелинейных нагрузок будет усугублять ситуацию и приводить к необхо­ димости решения вопросов, связанных с необходимостью компенсации высших гармоник и снижению потребления ими реактивной мощности. В связи с исключительной важностью данных вопросов рассмотрим их бо­ лее детально.

Несинусоидальные токи и напряжения, образовавшиеся из-за нели­ нейных нагрузок, могут вызывать как в самой сети, так и других потре­ бителях негативные последствия, связанные с генерацией этими нагруз­ ками в питающую сеть высших гармоник.

Известно, что несинусоидальные кривые токов и напряжений мож­ но рассматривать как сложные гармонические колебания, состоящие из совокупности простых гармонических колебаний различных частот. Дру­ гими словами, любая несинусоидальная периодическая кривая тока или напряжения может быть заменена суммой синусоидальных кривых, каж­ дая из которых имеет свою амплитуду, фазу и частоту по отношению к базовой синусоидальной кривой. В нашем случае базовой синусоидой (основной гармоникой) является напряжение (ток) сети с частотой 50 Гц. Все остальные синусоидальные составляющие называются высшими гармониками и имеют частоту кратную частоте основной гармоники. На­ пример, 2-я гармоника имеет частоту 100 Гц, 3-я гармоника - 150 Гц и т.д. Каждый нелинейный потребитель имеет свой состав гармоник.

Высшие гармоники нелинейных нагрузок могут приводить к сле­ дующим отрицательным процессам:

1. Созданию резонансных явлений в сети.

Происходит увеличение токов и напряжений гармоник вследствие последовательного или параллельного резонансов.

Последовательный резонанс возникает в цепях с последовательным соединением индуктивности и ёмкости. При этом на данных элементах

напряжение может значительно превысить напряжение питающей сети. Резонанс возникает при равенстве реактивных сопротивлений индуктив­ ности и ёмкости (coLc = 1/соСс).

Параллельный резонанс возникает в цепях с параллельным соеди­ нением индуктивности и ёмкости. При этом в данных элементах ток мо­ жет значительно превысить допустимое значение. Резонанс возникает при равенстве проводимостей параллельных ветвей (l/coLc = шСс)

Резонансы могут возникать в различных условиях, но простейшие из них соответствуют случаю присоединения статических конденсаторов к тем же шинам, к каким присоединён источник гармоник. Резонанс в этом случае возникает между источником гармоник и конденсаторами, в результате чего происходит чрезмерное увеличение тока в конденсаторах и выход их из строя. Предполагая сопротивление источника полностью индуктивным резонансная частота определится как

где fc - частота сети;

SK.3 . - мощность короткого замыкания в точке присоединения; QKмощность конденсаторных батарей.

Другая возможность возникновения параллельного резонанса пока­ зана на рис. 12.1. Ток гармоник, идущий от источника PIT, встречает большое сопротивление нагрузок на шинах. Это может привести к резо­ нансу между Lc и Сс системы электроснабжения, либо между Lc системы и Сн нагрузки. Если ток, текущий от шин в энергосистему мал, а напря­ жение велико, это говорит о наличии резонанса между Lc и Сс. Если же значителен ток гармоники в ветви нагрузки Н1 при большом напряжении гармоники на шинах, то резонанс происходит между Lcи С„.

Наиболее ощутимое влияние высшие гармоники тока и напряжения при резонансе оказывают на работу батарей конденсаторов. Практика ра­ боты отечественных и зарубежных промышленных предприятий свиде­ тельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несину­ соидальных режимах, часто выходят из строя в результате вспучивания или взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая появляется, как правило, при воз­ никновении в системе электроснабжения резонансного режима на часто­ те одной из гармоник. Перегрузки по току конденсаторы допускают до 30 °/о, по напряжению до 10 % номинальных значений, соответственно, тока и напряжения. На самом деле за счёт появления резонансных явлений пе­ регрузка по току может достигать 400-500 %, поскольку токи резонанс­ ных частот могут значительно превышать ток первой гармоники.

На калийных предприятиях Верхнекамья характерным примером ущерба, нанесённого негативным влиянием высших гармоник, могут служить результаты взрыва на ГПП БКПРУ-2 батарей статических кон­ денсаторов от работы тиристорных электроприводов электровозов участ­ ка железной дороги ст. Калийная, запитанного от шин данной ГПП.

2. Появлению потерь электроэнергии и напряжения в линиях элек­ троснабжения, а также росту потерь в электрооборудовании.

Гармоники тока в линиях электроснабжения приводят к дополни­ тельным потерям электроэнергии и напряжения, т.к. не создают полезной работы, а увеличивают нагрев проводов и падение напряжения на их со­ противлении.

Наличие в сети гармоник приводит к появлению дополнительных

потерь в статических конденсаторах, которые определяются выражением

00

£p = l A P 0-®-C-«-t/„2,

п=2

где ДР0 - удельные потери на основной частоте, кВт/квар; С - ёмкость конденсаторов;

Un - напряжение n-ой гармоники.

В трансформаторах гармоники вызывают увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Последнее особенно важно в преобразовательных трансформа­ торах, т.к. наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне пере­ менного тока, увеличивает значения гармоник тока в трансформаторе, а следовательно, требуется устанавливать несколько большую мощность трансформатора. Кроме того, при наличии гармоник наблюдаются ло­ кальные перегревы бака трансформатора с масляным охлаждением.

Важная составляющая воздействия гармоник на мощные транс­ форматоры состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последова­ тельности в обмотках, соединённых в треугольник, что может привести к их перегрузке.

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к дополни­ тельным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, в стали ротора и в стали статора. Последние из-за потерь от вихревых токов и поверхност­ ного эффекта. Среднее распределение потерь от высших гармоник в дви­ гателе постоянного тока, питающегося от выпрямителя по данным 136] составляет: обмотки статора - 14,2%, цепи якоря - 41,2%, торцевые зоны - 18,8%, потоки в пазах - 25,8%.

За исключением последней составляющей потерь их распределение

всинхронных машинах приблизительно аналогично.

Уасинхронных двигателей при питании их от тиристорных преоб­ разователей частоты потери в меди обмоток за счёт высших гармониче­ ских составляющих и с учётом возрастания активного сопротивления об­

моток из-за эффекта вытеснения тока могут достигать значения 24%. По­ тери в стали возрастают незначительно, примерно на 2-3%. Ток при но­ минальной нагрузке возрастает приблизительно на 1-2% [43].

Дополнительные потери - это наиболее серьёзный недостаток, вы­ зываемый гармониками во вращающихся электрических машинах. Они приводят к повышению общей температуры двигателей и к местным пе­ регревам, наиболее вероятным в роторе. При этом асинхронные двигате­ ли с фазным ротором оказываются к ним более чувствительными.

3.Старению и снижению изоляции проводов электрооборудования

икабельных линий.

Гармоники напряжения увеличивают своё негативное воздействие на диэлектрические материалы, независимо от их состава, пропорцио­ нально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабелей, обмоток двигателей и стоимость ремонтов.

В линиях с напряжением выше 6-10 кВ под воздействием гармоник может возникать коронирование проводов.

Срок службы изоляции проводов в цепях с гармоническими состав­ ляющими напряжения заметно снижается.

4. Появлению сетевых помех, которые проникают в системы управ­ ления тиристорных преобразователей (в том числе и в собственные сис­ темы), в устройства автоматики, средства связи, релейную защиту и ап­ паратуру КИП.

Помехи, как правило, носят импульсный характер и приводят к сбоям в работе оборудования, срабатыванию защит. В отдельных случаях совместная работа нескольких тиристорных установок становится не­ возможной. Последнее происходит при малой мощности короткого за­ мыкания питающей сети.

Наличие высших гармоник затрудняет и в ряде случаев делает не­ возможным из-за помех использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телеме­ ханических устройств, вызывая сбои в их работе, если силовые цепи ис­ пользуют в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчер­ ского и контролируемого пунктов. Затрудняется использование простой и дешёвой системы циркуляционного телеуправления по линиям распре­ делительных сетей с использованием чётных гармоник.

Высшие гармоники вызывают ложную работу устройств релейной защиты, в которой используют фильтры токов обратной последователь­ ности.

5. Изменению, хотя и незначительному, характеристик электродви­ гателей из-за наличия высших гармоник. Так в электроприводе по систе­ ме «ТП-Д» постоянного тока в механических характеристиках появляется

нелинейная область прерывистых токов. Максимальный момент асин­ хронных двигателей в системе ТПЧ-АД уменьшается на 1-2% и т.п.

6. Изменению показаний измерительных приборов.

Приборы калибруются при чисто синусоидальном токе и напряже­ нии, поэтому при искажённых напряжениях они дают погрешности, ко­ торые могут варьироваться как в положительную, так и отрицательную стороны. В условиях политики энергосбережения наиболее важно знание влияния искажений на счётчики электрической энергии.

Исследования показали, что индукционные счётчики завышают мощность, потребляемую преобразователями на несколько процентов (отмечены случаи до 6%) в основном вследствие слабого демпфирования в интервалы отсутствия тока. Количественных данных о влиянии гармо­ ник на точность измерения максимума мощности пока нет, однако пред­ положительно оно такое же, как и на точность измерения энергии.

В общем случае выражение для мощности в сети можно записать:

Р]Г —и пт‘JITT+U]JiCoS(pi+Ur-Jr-CoS(p —Рпт+Pl+Pr 5

где Urn-; JnT; Рпт • напряжение, ток и мощность постоянной составляющей; Ui, Ji, Р] - тоже основной гармоники; Ur; Jr; Рг - тоже гармонических со­ ставляющих.

Счётчик не измеряет Рпт, но чувствителен к её присутствию. Любая постоянная составляющая, поступающая из системы или генерируемая потребителем, вызывает погрешность, пропорциональную отношению Рпт/PiЗнак погрешности определяется направлением потока Рпт. Подоб­ ным образом гармонические составляющие вызывают погрешности, оп­ ределяемые соотношением ± к Рг/Р^ , где к - зависит от амплитудночастотной характеристики счётчика, а знак определяется направлением потока мощности гармоники.

Составляющие постоянного тока и высших гармоник не могут сами по себе создать момент вращения, но искажают измерение мощности на основной частоте. Постоянный ток нарушает рабочие потоки и изменяет магнитную проницаемость магнитных элементов. Потоки, вызываемые гармониками, взаимодействуют с потоками той же частоты, возникаю­ щими из-за несовершенства конструкции счётчика и вызывают вторич­ ные моменты, приводящие к вышеуказанным погрешностям.

Нарушение из-за наличия гармоник ГОСТа на качество напряжения питающей сети по такому показателю как коэффициент несинусоидальнести, кроме вышеперечисленных негативных последствий, может при­ вести к штрафным санкциям со стороны энергоснабжающих организа­ ций.

Рис. 12.1. Схема замещения системы электроснабжения с нелинейными нагрузками

Рис. 12.3. Диаграммы токов, протекающих через тиристоры и фазного напряжения сети на интервале коммутации

Другим негативным фактором при применении нелинейных нагру­ зок является потребляемая ими из сети реактивная мощность. Её нали­ чие, как отмечалось в главе 11, вызывает:

-дополнительные потери в энергосистеме;

-загрузку кабельных и других линий электроснабжения непроизво­ дительным реактивным током;

-падения напряжения в сети, а значит и на зажимах потребителей, подключенных к этой сети, при толчках реактивной мощности.

Снижение напряжения в сети ниже допустимого по ГОСТу на каче­ ство напряжения может привести к «опрокидыванию» и выходу из строя асинхронных двигателей, срабатыванию защит и неплановому отключе­ нию потребителей на химфабриках, что не исключает остановку техноло­ гического процесса.

12.2.Причины возникновения проблем, связанных с применением тиристорных преобразователей

12.2.1.Искажение преобразователями напряжения питающей сети

При работе тиристорных преобразователей через равные интервалы времени 6.6 или 3.3 мс, в зависимости от схемы выпрямления, наступает процесс коммутации тиристоров.

Под коммутацией понимается процесс перехода тока в силовой' схеме преобразователя с одного тиристора на другой. Так поочерёдно, друг за другом, тиристоры на некоторое время принимают ток нагрузки на себя.

Процессы коммутации приводят к скачкообразным изменениям па­ раметров цепей, что принципиально отличает тиристорные преобразова­ тели от других устройств преобразования энергии. Из рис. 12.2 видно, что при переходе тока с одного тиристора на другой существует интервал времени, когда выходящий из работы тиристор ещё не закрылся, а вхо­ дящий в работу тиристор уже приоткрылся. Следовательно, образуется цепь для протекания тока с одной фазы трансформатора через эти тири­ сторы на другую фазу, минуя нагрузку. В результате этого при питании тиристорного преобразователя от сети соизмеримой мощности периоди­ чески (по числу коммутаций в схеме) происходят посадки напряжения на вторичной стороне трансформатора, которые, естественно отражаются и на форме напряжения питающей сети (рис. 12-4). Возникающие искаже­ ния напряжения сети негативно воздействуют на другие потребители, а также на сам преобразователь через его систему управления.

Рассмотрим более подробно влияние различных параметров преоб­ разователя и сети на процесс коммутации.

Интервал времени, в течение которого происходит переход тока с одного тиристора на другой, называется углом коммутации. Этот угол у симметричного мостового преобразователя равен

где а - угол отпирания тиристоров; ха - индуктивное сопротивление вторичных обмоток трансформатора;

Jd - выпрямленный ток (ток нагрузки);

Е2т - амплитудное значение вторичной э.д.с. трансформатора.

Из приведённого выражения и рис. 12.3 видно, что чем больше ток нагрузки, тем дольше спадает и нарастает ток через тиристоры и тем больше угол коммутации. С увеличением угла отпирания тиристоров, при прочих других равных условиях, угол коммутации уменьшается. Так как в контуре коммутации находится индуктивность вторичных обмоток трансформатора, то она, естественно, оказывает влияние на время спада­ ния и нарастания тока. Чем больше индуктивность, тем больше и угол коммутации. Индуктивность нагрузки находится вне контура коммута­ ции и на время коммутации не влияет.

Величина напряжения вторичной обмотки трансформатора также влияет на процесс коммутации, так как чем больше напряжение при не­ изменности других параметров, тем быстрее скорость нарастания тока через тиристоры и меньше угол коммутации.

Значительное влияние на процесс коммутации оказывает мощность питающей сети. Приведённая выше формула получена при допущении бесконечной мощности энергосистемы. Известно, что чем больше длина линии электроснабжения, тем больше её индуктивное сопротивление и, соответственно, величина угла коммутации. С возрастанием мощности короткого замыкания питающей сети при неизменности других парамет­ ров преобразователя угол коммутации уменьшается.

Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что при работе преобразователя угол коммутации является функцией нескольких одновременно меняющихся параметров. По этой причине искажения на­ пряжения питающей сети имеющие вид импульсных провалов данного напряжения (рис. 12.4) также не остаются постоянными и перемещаются по времени, а сами провалы напряжения изменяются по ширине и глуби­ не. Данное обстоятельство обуславливает сложности компенсации иска­ жений питающего напряжения. Вместе с тем знание степени влияния различных параметров преобразователя и сети на угол коммутации по­ зволяет находить пути уменьшения негативных воздействий на питаю­ щую сеть.