Интеллектуальная энергетика

Сборник, 2021

В сборнике представлены статьи ученых, преподавателей, студентов и аспирантов, подготовленные по результатам научных исследований кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» энергетического факультета АлтГТУ им. И. И. Ползунова. Сборник посвящен знаменательной для России дате – одобренному 22 декабря 1920 года VIII Всероссийским съездом Советов плану Государственной Электрификации России (ГОЭЛРО) – 22.12.2020 г. исполнилось 100 лет. В сборнике представлены научно-исследовательские работы учащихся магистратуры, вошедшие в онлайн-курс «Основы интеллектуальной энергетики», созданный при грантовой поддержке «Стипендиальной программы Владимира Потанина».

Средства повышения качества электрической энергии в магистральных электрических сетях

Белицын Игорь Владимирович, [e-mail]

Попов Андрей Николаевич, [e-mail]

Попов Константин Павлович, [e-mail]

Аннотация:

Одной из важнейших задач электроэнергетики является повышение качества электрической электроэнергии. В работе произведен анализ нормативных документов регламентирующих показатели качества электрической энергии. Рассмотрены основные технические мероприятия позволяющие повысить качество электроэнергии.

Ключевые слова: качество электрической энергии, импульсные напряжения, система электроснабжения, компенсация реактивной мощности, регулирование напряжения.

MEANS OF IMPROVING THE QUALITY OF ELECTRIC ENERGY IN MAIN ELECTRIC NETWORKS

Belitsyn Igor Vladimirovich, Associate Professor, [e-mail]

Popov Andrey Nikolaevich, [e-mail]

Popov Konstantin Pavlovich, [e-mail]

Abstract:

One One of the most important tasks of the electric power industry is to improve the quality of electric power. The paper analyzes the normative documents regulating the quality indicators of electric energy. The main technical measures to improve the quality of electricity are considered.

Keywords: quality of electrical energy, pulse voltages, power supply system, reactive power compensation, voltage regulation.

Снижение качества электроэнергии является неотъемлемой частью цикла производства и потребления. На всех стадиях электроэнергия претерпевает изменения, поэтому получение идеальной синусоидальной трехфазной системы напряжений задача труднореализуемая. Поэтому основной задачей является именно минимизация влияния всех ступеней электроэнергетической системы на качество энергии.

Если говорить о системе генерации, то реализация задачи повышения качества упирается в совершенствование конкретных силовых машин, а именно генераторов, более точная подгонка деталей, использование новых магнитных материалов, работа с системами стабилизации генераторов, по типу АРВ, во время возникновения крупных аварий.

Поэтому еще на стадии генерации мы получаем синусоиду отличную от идеально, но наибольшее искажение электроэнергия претерпевает именно в системах передачи, распределения и потребления. Большая часть энергии просто теряется в линиях электропередач, переходя в тепло, а форма кривой напряжения искажается нагрузкой.

Все это негативно сказывается на системе в целом, и на потребителях этой самой энергии в первую очередь.

В понятие качества электроэнергии входит большое количество параметров, которые регламентируются стандартами ГОСТ 32144-2013.

К параметрам качества электроэнергии относят:

— Отклонение частоты;

— Отклонение напряжения;

— Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения;

— Колебания напряжения и фликер;

— Несинуидальность напряжения;

— Несимметрия напряжения;

— Провалы напряжения и перенапряжения;

— Импульсные напряжения;

— Максимальное значение и длительность перенапряжения.

Также параметры качества электроэнергии принято делить на две группы: длительные и кратковременные.

Возникновение кратковременных изменений параметров качества электроэнергии, как правило, обусловлено коммутацией нагрузки большой мощности, грозовой активностью, авариями в сети.

Например, появление кратковременных перенапряжений может быть вызвано ударами молний вблизи линий электропередач или подстанций. Провалы напряжения могут быть следствием возникновения коротких замыканий, или включение в сеть мощной нагрузки.

Причины длительных отклонений параметров качества могут быть обусловлены особой нагрузкой, либо структурой сети, проектными ошибками, связанными с выбором оборудования или уровней напряжения, либо возрастающим уровнем нагрузки в сети, дисбалансом активной и реактивной мощности. Также сюда можно отнести длительные ненормальные режимы в распределительных сетях.

Со стороны потребителя выделяют приемники с нелинейной вольтамперной характеристикой, или несимметричной пофазной нагрузкой.

К нелинейной нагрузке относятся вентильные преобразователи, электродуговые сталеплавильные печи, установки дуговой и контактной сварки. Работа таких устройств вызывает возникновение высших гармонических составляющих, которые накладываются на основную частоту кривой напряжения, искажая ее. В преобразователях могут возникать гармоники вплоть до 25-го порядка, в печах это гармоники с 3 по 7, в сварке с 5 по 11.

Искажение формы кривой напряжения приводит к возникновению дополнительных потерь активной мощности во всех элементах сети: линиях электропередач, трансформаторах, электрических машинах, поскольку их сопротивление зависит от частоты. Также может возникать перегрев обмоток двигателей из-за возникновения паразитных полей, ускорение процесса старения изоляции в кабелях, трансформаторах и электрических машинах.

Несимметричная нагрузка обладает фазными токами, отличающимися своими величинами, что приводит к различным потерям напряжения в разных фазах. Несимметрия напряжений в сети вызывает перегрев обмоток асинхронных двигателей, в синхронных машинах возникают опасные вибрации.

Большое влияние на качество электроэнергии оказывает сама структура сетей и их топология. Говоря о совокупности сетей и качества электроэнергии обычно говорят о проблеме больших потерь электроэнергии. Поскольку наибольших уровень потерь, а именно, более 60 % от общего числа приходится именно на передачу электроэнергии по линиям электропередач и еще около 17 % приходится на эффект возникновения коронного разряда в магистральных сетях высокого напряжения. В распределительных сетях большие потери обусловлен высоким уровнем морального и технического устаревания сетевого комплекса.

Большие потери снижают общий уровень экономичности сетей и качества электроэнергии в целом, приводя к снижению питающего напряжения на шинах потребителя. От пониженного уровня напряжения в первую очередь страдают асинхронные двигатели, увеличивая свой потребляемый ток, что приводит к перегреву обмоток и старению изоляции. В целом работа на напряжении ниже номинального для всех видов нагрузок приводит к уменьшению их срока службы, а иногда и полному выходу из строя.

Для повышения качества электроэнергии используются различные технические мероприятия.

Традиционно, для повышения качества электроэнергии в электрических сетях применяют следующие технические мероприятия:

— Регулирование напряжения;

— Компенсация реактивной мощности;

— Установка фильтров;

— Оптимизация схем и режимов работы сети;

— Установка вольтодобавочных трансформаторов.

— Применение динамических компенсаторов искажения напряжения;

— Выравнивание нагрузок фаз;

Список используемой литературы

1. ГОСТ 32144–2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — Введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 19 с.

2. Железко. Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2009. — 456 с.

3. Жежеленко, И. В… Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / Жежеленко И. В. — М.: Энергоатомиздат, 2000.

4. Belitsyn I.V. The quality of electric power as a complex index / I.V. Belitsyn // International Conference «Process Management and Scientific Developments», Birmingham, United Kingdom, September. 2017. pp. 113–121.

5. Белицын, И. В. Оптимальный параметр регуляризации для определения электромагнитной совместимости линии электропередачи / И. В. Белицын // III международная научно-практическая конференция «Европейские научные исследования», Пенза, МЦНС «Наука и просвещение», 2017. С 48–53.

6. Белицын, И. В. Качество электрической энергии, проблемы нормативной базы / И. В. Белицын // Международная научно-практическая конференция «Прикладные и теоретические исследования», Самара, ЦНИК «Наука и просвещение», 2017. С 24–27.

Информация об авторах

Белицын И. В. — к. п. н., доцент, Попов А. Н. — к. т. н., доцент, Попов К. П. — студент группы 8Э-91, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.