WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк, Ю.Л. Саенко, Н.А. Нойбергер Электромагнитная совместимость потребителей Монография Москва ...»

-- [ Страница 1 ] --

И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский,

Г.Г. Пивняк, Ю.Л. Саенко, Н.А. Нойбергер

Электромагнитная

совместимость

потребителей

Монография

Москва

Машиностроение

УДК 537.53

ББК 31.211

Э45

Рецензенти:

В. В. Зорін, д-р техн. наук, проф.

(Національний технічний університет України «КПІ», м. Київ, Україна);

М.А. Короткевич, д-р техн. наук, проф.

(Білоруський національний технічний університет, м. Мінськ, Білорусь);

В.П. Степанов, д-р техн. наук, проф.

(Самарський технічний університет, м. Самара, Росія).

Автори: І.В. Жежеленко (гл. 2, 9, §5.4); А.К. Шидловський (гл. 11, §5.15.3); Г.Г. Півняк (гл. 5, 7, §8.18.4); Ю.Л. Саєнко (гл. 6, §10.110.5, 8.9);

М.А. Нойбергер (гл. 3, §2.6, 2.7). Інші розділи монографії написані авторами сумісно.

Электромагнитная совместимость потребителей [Текст]:

Э45 моногр. / И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк и др. М.:

Машиностроение, 2012. 351 с.

ISBN 978-5-94275-637-6 Рассмотрены электромагнитные процессы, которые вызываются кондуктивными и полевыми электромагнитными помехами (ЭМП), с ориентацией на особенности промышленного производства. Раскрыты экономические и правовые вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС). Особенное внимание уделено интергармоническим ЭМП, которые генерируются частотным электроприводом, и вопросам электромагнитной экологии. Изложены физические явления ЭМС, методы анализа и расчета. Материал проиллюстрирован практическими примерами.



Для студентов электроэнергетических специальностей, аспирантов, научных работников в области проектирования и эксплуатации систем электроснабжения предприятий.

УДК 537.53 ББК 31.211 ISBN 978-5-94275-637-6 © І.В. Жежеленко, А.К. Шидловський, Г.Г. Півняк, Ю.Л. Саєнко, М.А. Нойбергер, 2012 © Державний ВНЗ «Національний гірничий університет», 2012 Список важнейших сокращений АД – асинхронный электродвигатель АЧХ – амплитудно-частотная характеристика БК – батарея конденсаторов ГПП – главная понизительная подстанция ДСП – дуговая сталеплавильная печь КЗ – короткое замыкание МЭК – Международная электротехническая комиссия ПКЭ – показатели качества электроэнергии ПГВ – подстанция глубокого ввода СД – синхронный двигатель ТОП – точка общего подключения ТП – трансформаторная подстанция ТС – техническое средство ЭМС – электромагнитная совместимость ЭМП – электромагнитные помехи КЛ – кабельные линии АФ – активный фильтр

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) в настоящее время относится к числу важнейших в электроэнергетике как в теоретическом, так и в прикладном плане. Значимость этой проблемы столь же велика, как и известные проблемы экологии, энергетической безопасности и энергоресурсосбережения. Её экономический характер свидетельствует об огромных убытках, которые возникают в результате несоблюдения требований ЭМС. Так, ежегодный экономический ущерб, обусловленный неудовлетворительным уровнем ЭМС в промышленности и в быту, составляет (по различным оценкам) от 100 до 500 млрд. евро.

Решению теоретических и прикладных вопросов ЭМС посвящены работы известных ученых и практиков. В странах СНГ, в частности в России и Украине, широко известны монографии, другие труды таких специалистов в области ЭМС, как А.К. Шидловский и А.Ф. Дьяков, Г.Я. Вагин, И.И. Карташев, В.Г. Кузнецов, Э.Г. Куренный и др. Эти работы относятся, главным образом, к концу прошлого века. В 2009 г. авторами настоящей монографии выпущен учебник для магистров, посвященный вопросам ЭМС в промышленных электрических системах.





К сожалению, вопросам ЭМС промышленных и бытовых потребителей не уделялось должного внимания. Между тем, прогресс в создании и внедрении новейших видов электрооборудования, которое является рецептором генерируемых ими мощных электромагнитных помех, не стал объектом должного внимания специалистов в области ЭМС. В предлагаемой монографии авторы сделали попытку восполнить этот пробел.

В представляемой монографии рассмотрен комплекс вопросов ЭМС потребителей, связанных как с кондуктивными, так и полевыми электромагнитными помехами (ЭМП). Они представлены в первых двух частях монографии. Третья часть посвящена экономическим и правовым вопросам ЭМС. В первой части особое внимание уделено интергармоническим ЭМП, эмиссия которых обусловлена работой таких потребителей, как частотный электропривод. Этот вид регулируемого электропривода получает преимущественное распространение в промышленности и бытовой технике. Авторы попытались дать систематическое, достаточно подробное изложение этого вопроса. Также впервые рассмотрены вопросы ЭМС в электрических сетях с ветровыми и солнечными электростанциями. Авторы обратили серьезное внимание на значительный износ основных фондов в электроэнергетике. Поэтому сравнительно новым вопросом провалов и импульсов напряжения также уделено должное внимание. Среди вопросов коррекции отрицательного влияния ЭМП особо выделены технические средства на базе активных фильтров.

Во второй части учебника авторы представили современные данные по влиянию электромагнитных полей на биосферу, т. е., по существу, вопросы электромагнитной экологии.

В работе над монографией была использована доступная авторам отечественная и зарубежная литература, включая материалы конца 2011 г. Существенную роль сыграл личный опыт, полученный в процессе научно-исследовательских и прикладных работ, проводившихся на промышленных предприятиях, объектах коммунального хозяйства, а также в ведущих проектных институтах СНГ. Использованы также материалы докторских и кандидатских диссертаций, выполнявшихся в последние годы под руководством авторов (или при активном консультировании).

Авторы совместно работали над материалом книги.

В работе над книгой авторам оказывали постоянную помощь преподаватели, сотрудники и магистранты ряда кафедр ПГТУ и ДНТУ, которым мы весьма признательны.

Особую благодарность авторы выражают рецензентам книги: Зорину В.В., Короткевичу М.А., Степанову В.П.

Авторы отдают себе отчет в том, что монография не свободна от недостатков. Ваши отзывы и замечания просим направлять по адресу: Украина, 49600, Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, Национальный горный университет.

ЧАСТЬ 1

КОНДУКТИВНЫЕ ПОМЕХИ

Глава первая

РОЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

В ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Основные положения Электромагнитная совместимость технических средств рассматривает устройства и процессы, описываемые в традиционных электротехнических курсах, с точки зрения генерирования электромагнитных помех, их влияния на электрооборудование, степень автоматизации и коррекции отрицательного воздействия.

Электромагнитная совместимость является глобальной проблемой, в рамках которой рассматривается ряд частных проблем. Важное место занимают экологические проблемы – совместимость электроэнергетики и ноосферы (сферы разума по акад. Вернадскому В.И. Эта проблема условно подразделяется на п’ять групп (рис.

1.1):

электромагнитная совместимость электроэнергетики с окружающей средой (ЭКО-ЭМС);

с биосферой (БИО-ЭМС);

с протяженными металлическими сооружениями техносферы (ТЕХНО-ЭМС);

с информационной, компьютерной и радиотехнической электроносферой (ЭЛЕКТРОНО-ЭМС);

внутренняя (ИНТЕР-ЭМС) – между подсистемами электроэнергетики.

В условиях эксплуатации различных систем (например, подстанций) и подсистем (например, трансформаторов) указанные проблемы могут переплетаться и частично дублировать друг друга.

Рис. 1.1. Основные группы ЭМС электроэнергетики Проблемы ЭКО-ЭМС касаются вопросов атмосферного электричества, электрохимической коррозии, электромагнитных бурь и последствий отчуждения больших участков земли под подстанции и высоковольтными линиями.

Проблемы БИО-ЭМС появляются в связи с возникновением опасного напряжения прикосновения и шага, а также мешающих влияний.

Опасные влияния на промышленной частоте и высоких частотах относятся к сфере вопросов ТЕХНО-ЭМС.

ЭЛЕКТРОНО-ЭМС также содержит проблемы в виде мешающих влияний (перенапряжения, скачки напряжения и др.).

ИНТЕР-ЭМС – исследует вопросы нарушения ЭМС между различными подсистемами электроэнергетики [72].

1.2. Электромагнитная совместимость: история и развитие

В конце XIX века открытия в физике, поиски серьезных технических решений способствовали превращению электротехники в одну из наиболее значимых наук. В то же время дальнейшее развитие электротехники, внедрение ее результатов во все отрасли техники, а в будущем – и быта, обусловили развитие электроэнергетики, которая в основных своих компонентах сформировалась в период 1870-1930 гг.

Уже в начале этого периода, после строительства первых промышленных электростанций и линий электропередач, изобретения счетчиков электроэнергии, официального оформления покупки и продажи электроэнергии она стала субъектом товарно-денежных отношений – товаром. Как и всякий товар, электроэнергия обладает потребительской стоимостью, которая означает соответствие некоторым – в основном, специфическим, качественным, – показателям, значения (или уровни) которых не должны превосходить установленных (или принятых) пределов.

Именно в последние десятилетия XIX века и в начале XX-го века появились первые международные организации и разработанные ими нормативные документы, регламентирующие деятельность и взаимодействие субъектов электроэнергетики. В 1884 году в Англии были введены первые «Правила устройства электроустановок» – прообраз нынешних ПУЭ. В 1904 г. была образована Международная Электротехническая комиссия (МЭК), в задачу которой входит координация работ в области стандартизации в электротехнике, электронике и смежных областях знаний в Европе. В 1924 году был организован МИРЭК – организация, деятельность которой направлена на решение проблем «большой энергетики» (ныне СИГРЭ). В 1884 г. была основана некоммерческая ассоциация IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) – институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. В настоящее время в этой организации насчитывается свыше 360 тыс. человек из 150 стран.

В странах СНГ еще в довоенные годы на государственном уровне создавались различные стандарты, положения, указания и другие нормативные документы в области электротехники и электроэнергетики. В настоящее время одним из основных документов является ГОСТ 13109-97-«Межгосударственный стандарт: Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения».

Еще в 30-х годах минувшего столетия в Бельгии на одном из предприятий было замечено, что в выходные дни, когда нагрузка была меньше обычной и напряжение в сети повышалось (регулирование напряжения, очевидно, не было предусмотрено), конденсаторные батареи интенсивно нагревались и через какое-то время выходили из строя. В технической литературе того времени говорилось об отсутствии электромагнитной совместимости между электрической сетью и одним из элементов оборудования. Это было первое известное упоминание об электромагнитной совместимости – ЭМС.

В 50 – 60-е годы минувшего столетия началось интенсивное внедрение силовой преобразовательной техники (иначе – энергоэлектроники) в промышленность и в то же время устройств электроники и микроэлектроники – в системы управления и контроля. Отрицательные последствия влияния и взаимодействия элементов энергоэлектроники стимулировали развитие представлений об электромагнитных помехах – ЭМП, их источниках и, по аналогии с радиотехникой, помехочувствительными элементами – рецепторами, воспринимающими эти электромагнитные помехи. Они носили, как правило, гармонический характер, и до конца минувшего столетия высшие гармоники в системах электроснабжения рассматривались как основной вид электромагнитных помех. В настоящее время, в связи со старением и значительным ухудшением состояния основных фондов электроэнергетики (в Украине и России – 70-80 %), более значимыми электромагнитными помехами стали внутренние и атмосферные перенапряжения, провалы и импульсы напряжения (кстати, до 1997 г. импульсы напряжения даже не упоминались в стандартах).

В 1976 году технический комитет № 77МЭК на своем заседании принял положение об ЭМС в следующей формулировке:

«Электромагнитная совместимость (между устройством и его окружением либо между устройствами) – это способность устройств правильно функционировать в данной электромагнитной среде без внесения чрезмерных возмущений в эту среду (либо другие устройства)». Отмечалось, что в соответствии с этим положением проблема ЭМС имеет два основных аспекта:

а) устойчивость объекта (системы) при электромагнитных возмущениях;

б) эмиссия электромагнитных возмущений в определенной среде, например, среде промышленной, торговой, жилищной и др.

Было также отмечено, что проблема качества электроэнергии является составной частью проблемы ЭМС; такое истолкование ее находит выражение в нормах МЭК. Например, норма EN 61000-331997 называется «ЭМС. Допустимые пределы ограничения колебаний напряжения и миганий света, вызываемых потребителями с номинальными токами менее 16 А в питающих сетях низкого напряжения».

Тем не менее проблема качества электроэнергии стала столь обширной областью деятельности в электротехнике и особенно – в электроэнергетике, что может трактоваться отдельно, наряду с другими проблемами ЭМС.

В СССР функционировала советская рабочая группа ТК77 в составе: канд. техн. наук В.Н. Никифорова – председатель (ВНИИЭ, Москва), докт. техн. наук И.В. Жежеленко – зам. председателя (ЖдМИ, Украина), докт. техн. наук Ю.С. Железко (ВНИИЭ), докт. техн. наук М.С. Либкин (ЭНИМ им. Кржижановского, Москва), докт. техн. наук Р.Р. Мамошин (МИИТ, Москва), докт. техн. наук В.Г. Кузнецов (ИЭД, Киев).

В межгосударственном стандарте ГОСТ 30352-45 «Совместимость технических средств (ТС) электромагнитная; термины и определения» дано определение ЭМС технических средств:

«Способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам» [109].

Электромагнитная совместимость ТС является одним из важнейших, самостоятельных разделов электротехники и электроэнергетики, наряду с такими, как электрические сети и системы, техника высоких напряжений, релейная защита и автоматика, продолжая оставаться одним из наиболее значимых составляющих теории надежности.

В дальнейшем изложении для краткости ЭМС ТС будем обозначать как ЭМС.

1.3. Основные понятия и термины Электромагнитная совместимость является разделом э л е к т р о т е х н и к и ; электротехникой в широком смысле называется обширная область практического применения электромагнитных явлений, т.е. наука, изучающая электромагнитные процессы и возможности использования электромагнитного поля для практических целей [27].

В э л е к т р о э н е р г е т и к е рассматриваются вопросы производства, передачи, преобразования, аккумулирования и распределения электрической энергии. Эти процессы сопровождаются возникновением электромагнитной обстановки, генерированием электромагнитных помех, воздействием их на электрооборудование, системы автоматики, контроля и телекоммуникации.

Для дальнейшего изложения вопросов ЭМС необходимо определение основных понятий и соответствующих им терминов. В европейской практике используются термины и определения в области ЭМС, приведенные в международном электротехническом словаре (МЭК 60050)101)) и техническом докладе (МЭК 61000-1-1). В странах СНГ действует ГОСТ 30372-95 «Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная, термины и определения», а также ГОСТ 13109-97, (раздел 3. Определения, обозначения и сокращения), стандарты России ГОСТ Р50397-92 и Украины. В конкретных случаях будем делать ссылки на соответствующий стандарт (приложение 1).

Определим некоторые, наиболее часто встречающиеся понятия.

Электромагнитная помеха – электромагнитные явления, процессы, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования технических средств. В системах электроснабжения электромагнитные помехи существуют всегда: все элементы электрооборудования генерируют электромагнитные помехи (т.е.

являются источниками эмиссии электромагнитных помех) и в то же время являются рецепторами (т.е. объектами воздействия электромагнитных помех).

В теории и практике ЭМС рассматриваются те из них, влияние которых существенно с точки зрения энергетического (или другого вида) воздействия, учета при выборе параметров ЭО и др.

Техническое средство – электротехническое, электронное или радиоэлектронное изделие (оборудование, аппаратура или система), а также изделие, содержащее электрические и (или) электронные компоненты (схемы).

Реакция ТС на воздействие электромагнитных помех зависит от его помеховосприимчивости (иначе – электромагнитной восприимчивости) и помехоустойчивости. По определению, помеховосприимчивость – неспособность ТС работать без ухудшения качества функционирования при наличии электромагнитных помех;

помехоустойчивость – способность ТС сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него электромагнитных помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствии дополнительных средств защиты от электромагнитных помех, не относящихся к принципу действия или построения ТС.

Электромагнитную обстановку, т.е. совокупность электромагнитных явлений и (или) процессов в данной области пространства и (или) данной проводящей среде в частотном или временном диапазонах демонстрирует рис.1.2 На рис. 1.2 показаны уровни электромагнитных помех (1) в точке подключения ТС к электрической сети; помехоустойчивость технического средства (2) и его помехоустойчивость (3) остаются постоянными, а уровни электромагнитных помех в сети возрастают. Случай а) характеризует нормальное функционирование ТС;

в случае б) воздействие электромагнитных помех было кратковременным, т.е. не утратило своих функциональный возможностей; в случае в) нормальное функционирование ТС невозможно.

Уровень электромагнитных помех – значения электромагнитных помех, измеренные в регламентированных условиях.

На практике имеет место многообразие аспектов генерирования и влияния электромагнитных помех на объекты электроэнергетики, причем объекты столь многочисленны, что классификация их оказывается затруднительной и весьма условной.

Поэтому в дальнейшем будем исходить из «отраслевого подхода», в нашем случае будем рассматривать ЭМС в системах электроснабжения промпредприятий.

Электромагнитные помехи можно разделить на две одинаковые группы: естественные (иначе – полевые) создаются грозовыми разрядами, геомагнитными явлениями. Возникновение искусственных электромагнитных помех обусловлено работой электрооборудования, воздушных линий электропередач, электронной и другой аппаратуры управления и контроля. Оба вида электромагнитных помех рассматриваются в учебнике.

В зависимости от среды, в которой распространяются электромагнитные помехи, различают помехи проводимости – кондуктивные и помехи излучения, распространяющиеся в виде электрического, магнитного и электромагнитного полей. Эти электромагнитные помехи также рассматриваются в учебнике.

Высокочастотные и низкочастотные электромагнитные помехи, электромагнитные помехи с непрерывным и дискретным спектром рассматриваются в разделах, посвященных высшим гармоникам и интергармоникам.

Другие виды электромагнитных помех имеют второстепенное значение, т.к. менее характерны для систем электроснабжения предприятий. В приложении 5 приведена терминология и определения электромагнитных помех, используемых в теории и практике ЭМС.

Глава вторая

НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ И

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

2.1. Нормирование показателей электромагнитной совместимости Нормирование показателей электромагнитной совместимости (или показатели качества электроэнергии (ПКЭ)) относится к числу главных вопросов проблемы электромагнитной совместимости.

Основным нормативным документом, где сформулированы требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения, является ГОСТ 13109-97 [28].

Согласно этому стандарту часть ПКЭ характеризует ЭМП при установившемся режиме работы электрооборудования энергоснабжающей организации и потребителей, обусловленные особенностями технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. К ним относятся отклонения напряжения и частоты, искажения синусоидальности формы кривой напряжения, несимметрия и колебания напряжения. Для их нормирования установлены допустимые значения ПКЭ.

Другая часть ПКЭ – кратковременные ЭМП, возникающие в результате коммутационных процессов, грозовых и атмосферных явлений и послеаварийных режимов: провалы и импульсы напряжения, кратковременные перерывы электроснабжения. Для них допустимые численные значения ГОСТ не устанавливает.

Нормы КЭ стандартом ГОСТ 13109-97 являются уровнями ЭМС для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении этих норм обеспечивается ЭМС электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии).

Соблюдение показателей качества электроэнергии позволяет экономить не только топливно-энергетические ресурсы, но также и другие виды материальных ресурсов, часть которых при пониженном КЭ тратится на бракуемую и утилизируемую продукцию.

Следует отметить, что проблема КЭ в отечественных электрических сетях крайне специфична. Так, во всех промышленно развитых странах Запада подключение мощных нелинейных нагрузок, искажающих форму кривых тока и напряжения электрической сети, допускается только при соблюдении требований по обеспечению КЭ и при наличии соответствующих корректирующих устройств. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3 – 5 % от мощности всей нагрузки энергокомпании. Иная картина наблюдалась в электрических сетях бывшего Советского Союза, где такие потребители подключались достаточно хаотично. Например, на момент ввода в работу электролизных корпусов Братского алюминиевого завода, являющегося мощным источником искажений, его суммарная мощность составляла более 30 % от мощности потребителей «Иркутскэнерго». Аналогичная картина наблюдалась и при подключении новых тяговых подстанций Байкло-Амурской магистрали, нагрузка которой является несинусоидальной, несимметричной и резкопеременной. По экспертным оценкам, базирующимся на результатах исследований, проведенных в начале 90-х годов рядом организаций страны, ущерб от пониженного качества электроэнергии для Советского Союза превышал 7 млн. рублей в год [72].

Электроэнергия как товар обладает целым рядом специфических свойств. Она непосредственно используется при создании других видов продукции и оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий. Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприемникоов (ЭП). Поэтому, если ЭП работает неудовлетворительно и в каждом конкретном случае анализ качества потребляемой электроэнергии дает положительные результаты, то виновато качество изготовления ЭП. В целом ПКЭ определяют степень искажения напряжения электрической сети за счет кондуктивных помех, вносимых как энергоснабжающей организацией, так и потребителями.

Нормы, установленные настоящим стандартом, подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей электрической энергии и в договоры на пользование электрической энергией между энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии.

При этом для обеспечения норм ГОСТ 13109-97 в точках общего присоединения допускается в технических условиях на присоединение потребителей, являющихся виновниками ухудшения КЭ, и в договорах на пользование электрической энергией с такими потребителями устанавливать более жесткие нормы с меньшими диапазонами изменения соответствующих ПКЭ, чем приведены в настоящем стандарте.

Нормы КЭ в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей электрической энергии, регламентируемые отраслевыми стандартами и иными нормативными документами, не должны быть ниже норм КЭ, установленных настоящим стандартом в точках общего присоединения. При отсутствии указанных отраслевых стандартов и иных нормативных документов нормы настоящего стандарта являются обязательными для электрических сетей потребителей электрической энергии.

Установлены два вида норм КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия показателей КЭ указанным нормам проводится в течение расчетного периода, равного 24 часам.

В настоящем стандарте применяют термины, приведенные в ГОСТ 19431-84 «Энергетика и электрификация. Термины и Согласно ГОСТ 13109-97 под кондуктивными помехами понимают помехи, распространяющиеся по элементам электрической сети.

определения», в ГОСТ 30372-95 «Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения».

Процесс изменения напряжения в СЭС предприятий, как правило, является стохастическим: в электрических сетях со спокойными нагрузками изменение напряжения U (t ) происходит сравнительно медленно, в сетях с резкопеременными (ударными) нагрузками – весьма быстро.

Для адекватной оценки воздействия ЭМП на электрооборудование (ЭО) и динамические процессы целесообразно использовать математический аппарат спектральной теории случайных процессов. Поскольку ЭМП имеют энергетический смысл, показатели ЭМС (ПКЭ) оцениваются отношением энергетического спектра ЭМП G ( f ) к номинальному напряжению основной частоты. На рис 2.1 представлена (качественно) кривая энергетического спектра напряжения GU ( f ) [82].

–  –  –

GU ( f )df G ( f )df U2 f4 ; K 2U = KU = 0.

U ном U ном Из приведенных выражений получаются известные выражения для определения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) согласно ГОСТ 13109-97.

Принципы нормирования ПКЭ по напряжению основываются на технико-экономических предпосылках и состоят в следующем:

а) показатели качества электроэнергии по напряжению имеют энергетический смысл, т.е. характеризуют мощность (энергию) искажения кривой напряжения; степень отрицательного воздействия энергии искажения на электрооборудование и технологические процессы соизмеряется со значением ПКЭ;

б) предельно допустимые значения ПКЭ выбираются из технико-экономических соображений;

в) показатели качества электроэнергии нормируются в течение определенного интервала времени с заданной вероятностью для получения достоверных и сопоставимых значений;

г) допустимые значения ПКЭ указываются на зажимах электроприемников (ЭП) и в узлах электрических сетей.

Система ПКЭ, основанная на этих предпосылках, может использоваться также в проектной практике; она позволяет осуществить массовое метрологическое обеспечение контроля качества электроэнергии (КЭ) с помощью относительно простых и недорогих приборов, а также реализовать мероприятия и технические средства нормализации КЭ.

В странах СНГ принят стандарт ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". В этом стандарте в качестве допустимых значений ПКЭ приняты, в основном, уровни ЭМС в СЭС, приведенные в публикациях МЭК в качестве рекомендаций для составления национальных стандартов [28].

В Европе и, в частности, в странах Европейского союза нормативной базой для оценки ЭМС электроприемников промышленных предприятий являются известные стандарты:

– Европейский стандарт EN 50160: 1994 г. «Характеристики напряжения электричества, поставляемого системами распределения общего назначения»;

– Стандарт МЭК 1000-2-4: 1994 «Электромагнитная совместимость. Уровни ЭМС на промышленных объектах для низкочастотных помех проводимости».

Этот стандарт устанавливает требования по ЭМС в электрических сетях промпредприятий. Электроприемники предприятий относятся к трем классам уровней ЭМС в зависимости от уровней применяемого оборудования.

Класс 1. Помехочувствительное электрооборудование (ЭВМ, вычислительные центры, системы автоматики и телекоммуникации и т.

д.).

Класс 2. Электроприемники, не создающие значительных ЭМП (освещение, металлорежущие станки и т.

д.).

Класс 3. Преобразователи тока и частоты, резкопеременная нагрузка, электросварка и т.

п.

Нагрузки типа ДСП и прокатных станов выделяют в особый класс.

Сопоставление норм на ЭМС этих трех стандартов показывает, что требования ГОСТ 13109-97 к отклонениям напряжения и частоты, к коэффициенту несинусоидальности в 2-3 раза жестче, чем в двух указанных выше стандартах. В стандартах МЭК и Евросоюза установлены уровни ЭМС в различных точках электрических сетей, к которым подключаются различные электроприемники, в то время, как в ГОСТ 13109-97 ряд показателей нормируются в электрических сетях, а ряд других на зажимах электроприемников.

Во всех отмеченных стандартах значения каждого ПКЭ указаны без учета возможного влияния других ПКЭ. Решение этого вопроса – за будущими исследователями.

В странах Северной и Южной Америки, а также в некоторых африканских странах принят американский стандарт IEEE Std 519, в котором приводятся ограничения, относящиеся к ВГ.

В отличие от европейских стандартов, ограничиваются значения ВГ токов нагрузки, создаваемых ее нелинейной частью в точке общего подключения.

Стандартом ГОСТ 13109-97 установлены два вида норм на КЭ – нормально допустимые и предельно допустимые величины (значения) (ПДВ). Оценка соответствия ПКЭ требованиям стандарта производится в течение расчетного времени, равного 24 ч.

2.2. Основные показатели ГОСТ 13109-97.

Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

–  –  –

где U n – действующее значение напряжения n-й гармоники, В, кВ.

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям приведены в табл. 2.1.

–  –  –

Нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением U ном приведены в табл. 2.2 для сетей 0,38 и 6–20 кВ.

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле

Несимметрия напряжений. Несимметрия напряжений характеризуется:

– коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U, %;

– коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U, %, которые определяются по выражениям U 2(1) K 2U = 100, U ном U 0(1) K 0U = 100, U ном где U 2(1) – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В, кВ; U 0(1) – то же нулевой последовательности основной частоты, В, кВ, U ном – номинальное значение линейного напряжения, В, кВ.

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения составляют соответственно 2,0 и 4,0 %.

Нормально и предельно допустимые значения K0U в четырехпроводных электрических сетях с номинальным напряжением 0,38 кВ равны соответственно 2,0 и 4,0 %.

Отклонения частоты. Отклонения частоты f (Гц) определяют по выражению f = fу – fном, где fу – усредненное значение частоты на интервале времени, равном 20 с; fном – номинальное значение частоты, Гц. В соответствии с ГОСТ 13109-97 нормально и предельно допустимые значения отклонения частоты составляют ± 0,2 и ± 0,4 Гц.

Рассматривая электромагнитную совместимость как показатель качества продукции, необходимо на различных этапах ее создания соблюдать целый ряд рекомендаций и норм, охватывающих комплекс непрерывно совершенствующихся вопросов электромагнитной совместимости.

В различных странах национальные нормы по электромагнитной совместимости тесно связаны с такими международными организациями как: Международная конференция по большим энергетическим системам (СИГРЭ); Международная совещательная комиссия телеграфной и телефонной службы (СС1ТТ); Международный союз по производству и распределению электроэнергии (UNIPEDE); Международная электротехническая комиссия (МЭК) с техническим комитетом ТК 77; Европейский комитет по нормированию в области электротехники (CELENEC); Специальный международный комитет по радиопомехам (СИСПР). Вопросами влияния потребителей на сети электроснабжения занимаются организации UNIPEDE и МЭК.

Технические комитеты CELENEC и СИСПР анализируют проблемы искрения, разрабатывают европейские и мировые рекомендации и нормы по электромагнитной совместимости. Основная тематика ССITТ это техника связи. СИГРЭ занимается проблемами техники связи, телемеханики, распределительных устройств, вторичной коммутации, биологического влияния высоких напряжений.

Связь между организациями, занимающимися нормированием электромагнитной совместимости, и области их деятельности приведены на рис. 2.2 [130].

Рис. 2.2. Организации, занимающиеся нормированием электромагнитной совместимости, и области их деятельности

2.3. Нормирование колебаний напряжения К колебаниям относят быстрые изменения действующего значения напряжения, происходящие со скоростью 1–2% в секунду и более.

К о л е б а н и я н а п р я ж е н и я (КН) н а з а ж и м а х п о т р е б и т е л е й электрической энергии вызываются быстрыми изменениями нагрузки неспокойных потребителей.

К таким потребителям относятся:

электродуговые печи;

прокатные станы;

установки дуговой и контактной электросварки;

электрические пилы;

машины для укатки, электрические люмеры и т.п.;

нагнетательные насосы;

компрессоры;

лифты;

краны и лебедки;

рентгеновские аппараты;

холодильники;

кондиционеры и др.

Колебания нагрузки неспокойных потребителей имеют детерминированный либо случайный характер. В связи с этим колебания напряжения в сети оказываются детерминированными (редко) либо случайными (чаще). Колебания напряжения, обусловленные неспокойными нагрузками, прежде всего промышленными, «переносятся» по всей сети, вызывая колебания на зажимах, в том числе, спокойных нагрузок. Они переносятся также в сети коммунально-бытовые и отрицательно влияют на работу многих потребителей и электротехнических установок, а также на зрение и в целом на организм человека.

Вследствие мигания светового потока источника света наступает быстрое утомление органов зрения. Мигание света является основным, общепринятым критерием отрицательного влияния колебаний напряжений, т.е. при нормировании колебаний использовался эргономический подход. Очевидно, что население, в силу индивидуальных особенностей людей, не абсолютно одинаково воспринимает колебания светового тока.

Поэтому технический комитет N77 МЭК в 70-е годы предложил стандартизированные характеристики:

1. Колебания светового потока (мигание) предполагаются в форме меандра.

2. Зависимость размахов (амплитуд) колебаний от частоты повторений – в виде кривых допустимых значений.

3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) зрительного анализатора (рецептора) корреспондируется с кривой (кривыми) допустимых значений.

Колебания напряжения характеризуются амплитудой (размахом изменения напряжения) Ut; частотой f и интервалами между следующими друг за другом изменениями напряжения tk; интенсивностью мигания ламп накаливания, оказывающих раздражающее влияние на зрение человека – (интенсивностью фликера (ИФ) или иначе фликером напряжения (ФН)).

Значение ИФ, называемое также «дозой фликера» (ДФ), связано с мощностью КН и определяется интегралом t 35 k Pt = dt g 2 ( f ) G ( f, t ) df, t 0 где g(f) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)) зрительного анализатора; G(f, t) – энергетический спектр процесса изменения напряжения в момент времени t; – интервал осреднения, учитывающий эффект памяти восприятия, = 300 мс.

Коэффициент k в формуле выбирается таким образом, чтобы значение Рt = 1 соответствовало порогу визуальной восприимчивости возникновения неприятных ощущений.

И н т е н с и в н о с т ь ф л и к е р а н а п р я ж е н и я характеризует мощность КН с учетом характерных особенностей зрительного и мозгового восприятия человеком колебаний светового потока ламп накаливания, полностью подобных КН.

Лампы накаливания являются наиболее массовыми нагрузками, чувствительными к КН в большей мере, чем телевизионные приемники, компьютеры, электронные и микроэлектронные устройства управления. Интенсивность фликера выражается в безразмерных единицах; ординаты стандартной кривой допустимых значений КН U t ( f ) (рис. 2.3) соответствуют значению интенсивности фликера, определенному в течение 10 мин.

с вероятностью 99 %:

РSt = 1.

На рис. 2.3 представлена кривая допустимых размахов колебаний напряжения в зависимости от частоты повторения.

Ut(f) Кривая построена для КН, имеющих форму меандра. Величина РSt называется также интенсивностью кратковременного (или непродолжительного) фликера напряжения. В основу современных методов нормирования колебаний напряжения МЭК положено это положение.

Процесс зрительного восприятия при КН моделируется на основе теории прохождения сложного сигнала через нелинейную динамическую систему. Многолетние экспериментальные исследования позволили построить АЧХ зрительного анализатора (рис. 2.4), принятую МЭК. Верхний предел частоты КН, влияющих на зрение, с учетом постоянной времени нитей ламп накаливания, составляет примерно 35 Гц при U t 10%.

Величина интенсивности фликера адекватно отображает реакцию человека на любой вид (форму) изменений светового потока, независимо от источника возмущения.

Важным является определение времени наблюдения: можно было бы выбрать по длительности рабочего цикла оборудования, создавшего КН. Желательно его принять одинаковым независимо от типа источника колебаний. Наиболее подходящим промежутком времени является интервал 10 мин. Интенсивность фликера на 10-минутном интервале обозначается РSt.

Рис. 2.4. Амплитудно-частотная характеристика зрительного анализатора

Предложенный 10-минутный интервал может быть использован для оценки интенсивности фликера, вызываемого прокатными станами, насосами, бытовым оборудованием.

Если общий эффект КН обусловлен рядом резкопеременных нагрузок, характеризующихся случайным характером работы (сварка, электродвигатели и др.), интенсивность фликера PLt за рассматриваемый промежуток времени находят, исходя из совокупности 10-минутных значений:

2.4. Нормирование интергармоник Процесс стандартизации в области интергармоник (ИГ) находится в стадии накопления знаний [46].

Широко используется уровень напряжения ИГ, равный 0,2 %.

Это значение взято с учетом чувствительности приемников в системе передачи данных управления в электрических сетях; использование его в других случаях без учета возможных физических последствий может повлечь за собой внедрение дорогостоящих средств нормализации, например, дорогих пассивных фильтров. Если просмотреть приведенные ниже нормы из нескольких документов, то очевидным станет отсутствие общих подходов и значительные отличия.

Нормы МЭК. Согласно рекомендациям МЭК интергармоники напряжения ограничиваются значениями 0,2 % в пределах частотного диапазона от полученной составляющей до 2 кГц.

В проекте стандарта тестовые уровни помехостойкости к ИГ даны для разных частотных диапазонов. В зависимости от типа оборудования значения напряжения находятся в пределах 1,5 % U (10002000 Гц). Тестовые уровни ИГ с частотой более 100 Гц – в пределах 2–9 %.

В другом документе МЭК уровни совместимости формулируются только в случае, если ИГ имеют частоту, близкую к основной составляющей, в результате чего напряжение питания модулируется и вызывает мигание света. Рис. 2.5 иллюстрирует уровень совместимости для отдельной ИГ напряжения (в процентах от амплитуды основной составляющей) как функции разницы частот, чье взаимодействие интегрирует ИГ. Эту характеристику называют интенсивностью мигания (РSt = 1 для ламп накаливания 230 В).

Детальные рекомендации, касающиеся граничных значений сигналов интергармоник как передачи данных и управления, используемых в электроэнергетических системах, приведены ниже.

Un, %

1. С и с т е м ы у п р а в л е н и я н и з к о й ч а с т о т ы. Уровень этих ИГ не может превосходить значений нечетных не кратных трём гармоник той же полосы частот. Для действующих систем это значение находится в пределах 2–5 % Uном.

–  –  –

2. С и с т е м ы с р е д н е й ч а с т о т ы. Величина сигнала до 2 % Uном.

3. С и с т е м а р а д и о ч а с т о т н ы х с и г н а л о в. Уровни совместимости уточняются; но не должны превосходить 0,3 %.

4. У к а з а н и я п о н а п р я ж е н и ю п и т а н и я. Производители оборудования должны сами гарантировать его совместимость с рабочим окружением. В некоторых странах официально используют так называемую кривую Мейстера. (рис. 2.6).

–  –  –

Рис. 2.6. Кривая Мейстера для интергармоник-сигналов, использующихся в сетях общего назначения (от 100 до 3000 Гц) Согласно стандарту CENELEC EN50160 на протяжении 99 % времени суток усредненные за три секунды значения сигнала напряжения должны быть меньше или равными значениям, приведенным на рис. 2.7.

Допустимые значения эмиссии субгармоник (f 50 Гц) и интергармоник. В Великобритании принято в системах передачи данных и управления в электроэнергетических системах не использовать системы управления на напряжении питания, и потребители могут подключать электрооборудование без предварительной оценки допустимости индивидуальной эмиссии ИГ относительно значений, приведенных в таблице 2.3. Допустимые значения для отдельных частот ИГ между 80 и 90 Гц можно линейно интерполировать по граничным значениям приведенным ниже.

Un, % 1,0 <

–  –  –

Рис. 2.7. Частотные зависимости уровней напряжения сигналов, использующихся в распределительных сетях общего назначения среднего напряжения

–  –  –

2.5. Импульсы и провалы напряжения Импульсы напряжения, называемые также переходными перенапряжениями, могут проявляться в кривых мгновенных значений напряжения. На рис. 2.8(а) представлены полуволны мгновенных значений напряжения сети, на которой имеется импульс напряжения (перенапряжения), а на рис. 2.8(б) – идеализированный импульс и его характеристические показатели.

Согласно ГОСТ 13109-97, импульсным напряжением называется вызываемое изменение напряжения, после которого напряжение возвращается к начальному значению либо приближается к нему в течение нескольких миллисекунд. Различают грозовые и коммутационные импульсы напряжения.

Импульс напряжения характеризуют следующие значения:

1) импульсное напряжение Uимп;

2) амплитуда импульса Uимп.а;

3) длительность импульса tимп;

4) продолжительность мгновенного значения импульсного напряжения U i 0,5U имп.а (ti 0,5 ) учитывается продолжительностью существования большей половины импульсов.

I

–  –  –

Для определения длительности импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды tимп 0,5 из кривой напряжения выделяют импульс напряжения с амплитудой U имп.а (рис. 2.8(б)). Начальный tн 0,5 и конечный tк 0,5 моменты времени соответствуют пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса 0,5 U имп.а.

Длительность tимп 0,5 определяется по выражению tимп 0,5 = tк 0,5 – tн 0,5.

Примерные значения фазовых импульсных напряжений на выводах трансформатора составляют:

–  –  –

Провал напряжения (ПН) – это внезапное уменьшение напряжения в СЭЗ до некоторого порогового значения за время не менее полупериода (10 мс) с последующим восстановлением напряжения до приведенного или близкого к нему уровня.

Согласно ГОСТ 13109-97 и, аналогично, ЕN50160 провал напряжения начинается от внезапного снижения напряжения ниже 0,9Uном и продолжается от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд до момента, когда напряжение достигает 0,9Uном или близкое этому значению (рис. 2.9).

Провал напряжения характеризуется двумя параметрами:

– глубиной провала U П, %;

– временем (продолжительностью) tп.

В ГОСТ 13109-97 предусмотрен еще один параметр – частота возникновения провалов.

2.6. Измерение показателей электромагнитной совместимости Пределы допустимых погрешностей измерения показателей качества электроэнергии следующие [91, 92]:

1) отклонения напряжения: абсолютная погрешность ± 0,5 %;

2) размах изменения напряжения: относительная погрешность ± 8 %;

3) доза фликера: относительная погрешность ± 5 %;

4) коэффициент несинусоидальности напряжения: относительная погрешность ± 10 %;

5) коэффициент n-й гармоники напряжения: относительная погрешность ± 5 %;

6) коэффициент обратной последовательности напряжения:

абсолютная погрешность ± 0,3 %;

7) коэффициент нулевой последовательности напряжения:

абсолютная погрешность ± 0,5 %.

Измерение колебаний напряжения. Измеритель уровня мигания ламп, называемый фликерметром, может использоваться при любом законе измерения напряжения. По существу с его помощью измеряется степень мигания светового потока ламп накаливания.

В этом процессе можно выделить три основных элемента:

1) источник КН;

2) глаз человека, являющийся рецептором, т.е. элементом восприятия;

3) мозг человека с его нелинейными (в функции частоты) реакциями.

Для измерения КН доступна только первая составляющая;

остальные должны быть смоделированы, т.е. должно быть найдено правильное соответствие между изменением напряжения различной формы и уровнем человеческого раздражения.

На рис. 2.10 представлена упрощенная структурная схема фликерметра. В его структуре можно выделить пять отдельных блоков.

Блок 1. В этом блоке из сигнала, изменяющегося пропорционально действующему значению напряжения питания, выделяется информация о мгновенных изменениях напряжения, причем среднее значение этих изменений напряжения соответствует среднему действующему значению напряжения, определяемому с интервалом в одну минуту.

–  –  –

Блок 2 (демодулятор). Входным сигналом для этого устройства является мгновенное изменение напряжения – сигнал модуляции, наложенный на основную частоту 50 Гц. Для определения его служит демодулятор. Далее сигнал возводится в квадрат с помощью квадратичного демодулятора.

Блок 3 включает в себя несколько фильтров. Частотная характеристика устройства «лампа накаливания – глаз человека»

–  –  –

Блок 4 представляет собой модель нелинейной реакции мозга человека на колебания светового потока. Сигнал на выходе блока 4 представляет собой мгновенный уровень КН. Получаются два статистических значения: величина кратковременного и величина длительного фликера (PSt и PLt).

Значение PSt = 1 соответствует порогу различаемой границы мигания, который не должен быть превзойден.

Блок 5 выполняет статистическую оценку интенсивности мигания.

Измерение несинусоидальности и несимметрии напряжений. В настоящее время получают применение комплексные (агрегатные) средства измерения нескольких ПКЭ (ВГ, KU, несимметрии, КН, ОН); в некоторых случаях эти устройства позволяют также измерять активную и реактивную мощность, фазные и линейные напряжения и токи основной частоты и другие параметры.Рассмотрим измерение ПКЭ на примере измерения ВГ и несимметрии.

Значения ВГ тока и напряжения и KU получаются при помощи набора мгновенных значений напряжений и токов, измеренных в определенные моменты времени (фазы сигнала).

И з м е р и т е л ь с о с т о и т из трех основных функциональных частей: у с т р о й с т в а и з м е р е н и я м г н о в е н н ы х з н а ч е н и й т о к о в и н а п р я ж е н и я, работающего согласно определенным алгоритмам измерения; у с т р о й с т в а о б р а б о т к и р е з у л ь т а т о в вычисления, работающего по заданным алгоритмам вычисления ПКЭ, например, несинусоидальности; с р е д с т в а о т о б р а ж е н и я и х р а н е н и я п о л у ченных результатов.

Основными проблемами при разработке измерителя несинусоидальности на базе персонального компьютера (ПК) или компьютера серии Micro-PC являются выбор и оценка оптимальных алгоритмов вычисления несинусоидальности по мгновенным значениям тока и напряжения; разработка оптимальных алгоритмов измерения, обеспечивающих минимальную погрешность вычисления; разработка высокоточной аппаратуры измерения мгновенных значений, работающей согласно заданным алгоритмам измерения, и, наконец, реализация алгоритмов вычисления на алгоритмических языках высокого уровня и создание удобного графического интерфейса пользователя.

Структурная схема измерителя КЭ на базе ПЭВМ представлении на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Структурная схема измерителя КЭ на базе ПК

2.7. Измерение амплитудно-частотных характеристик узлов сети В последние годы был разработан ряд методов, предназначенных для исследования частотных характеристик электрических сетей. Наиболее простым из них является м е т о д, о с нованный на анализе установившегося режим а до подключения и после к данному узлу нагрузки с линейной вольт-амперной характеристикой, например, батареи конденсаторов (БК).

При реализации этого метода производится включение и отключение нагрузки (БК) и изменяются амплитуды и начальные фазы ВГ напряжений в точке подключения нагрузки и тока, протекающего через нагрузку, в момент времени до коммутации нагрузки и после нее. Сопротивление сети определяется согласно выражению U Z cn = n1 Z’n, In где U n1 - напряжение n-й гармоники перед подключением нагрузки, В; I n - ток n-й гармоники, протекающий через нагрузку, А; Z’n - полное сопротивление нагрузки на частоте n-й гармоники, Ом.

Сопротивление Z’n определяется из соотношения U n2 Z’n =, In где U n 2 - напряжение n-й гармоники после подключения нагрузки, В.

Недостатком данного метода является то, что необходимая точность достигается лишь при значительной мощности нагрузки, отсутствии нелинейных элементов в ее составе, проведении значительного количества включений и отключений нагрузки и стабильные уровни ВГ напряжения в сети в течение всего времени измерений. Измерения могут быть выполнены только на частотах ВГ, имеющихся в спектре напряжения сети.

Амплитудно-частотную характеристику электрической сети можно определить также п у т е м а н а л и з а и с к а ж е н и я ф о р м ы к р и в о й н а п р я ж е н и я при подключении нагрузки, являющейся источником токов ВГ, например, тиристорного преобразователя.

В этом случае для определения сопротивления сети изменяются амплитуды и начальные фазы ВГ напряжения и тока в точке подключения нелинейной нагрузки. Сопротивление сети рассчитывается согласно выражению U U n2 Z cn = n1, In где Z cn - полное сопротивление сети на частоте n-й гармоники, Ом; U n1, U n 2 - напряжение n-й гармоники в узле сети при отключенной и включенной нагрузке, В; I n - ток n-й гармоники, протекающий через элемент сети с нелинейной вольт-амперной характеристикой, А.

Достоверность полученных результатов зависит от значений токов ВГ, генерируемых их источником (элементом с нелинейной вольт-амперной характеристикой).

Измерения могут быть выполнены только на тех частотах, на которых генерируются токи ВГ.

Представляют интерес способы и з м е р е н и я А Ч Х электрических сетей, о с н о в а н н ы е н а г е н е р и р о в а н и и в с е т ь с и г н а л о в, имеющих частоты, некратные основной частоте сети. Один из вариантов измерительной системы, реализующей этот принцип: система состоит из силового блока, управляющей ПЭВМ и измерительной части. Управляющая ПЭВМ формирует сигналы, поступающие в силовой блок и обеспечивающие протекание через этот блок тока, содержащего ВГ, некратные частоте 50 Гц (175 Гц, 225 Гц,..., 2525 Гц). Силовой блок представляет собой трехфазный мост, собранный на запираемых тиристорах и нагруженный на индуктивность. Блок обеспечивает протекание тока до 150 А при напряжении 0,46 кВ.

Измерительная часть системы выполняет измерение мгновенных значений напряжения в месте подключения устройства и тока, протекающего через устройство. Результаты измерений могут быть проанализированы с помощью ПЭВМ и записаны для последующего анализа. Для повышения точности измерений используется метод ортогональной корреляции.

Глава третья

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭМС

Согласно требованиям МЭК параметры ЭМС в обязательном порядке должны подлежать контролю путем измерений отклонения частоты и напряжения K2U и KU(n).

Измерение этих параметров рекомендуется в соответствии с требованием для классов А и В.

Класс А относится к случаю выполнения подробных измерений. Например, при составлении контрактов, проверки соответствия норм и т. д.

Класс измерений В относится к статистическим измерениям, а также для определения причин аварий и т. п.

Измерительный прибор может иметь различные классы измерений для различных параметров.

Измерительные приборы (системы) для измерений и оценки результатов измерения параметров качества электроэнергии обычно имеют функциональный ряд, который состоит из следующих основных элементов:

- измерительные преобразователи;

- устройства измерений;

- устройства оценки результатов измерений.

–  –  –

Рис. 3.1. Структурная схема прибора для измерения ПКЭ

3.1. Приборы и системы для измерения и учета показателей ЭМС Для измерения показателей ЭМС применяются как однофункциональные приборы, предназначенные для измерения одной характеристики ЭМС или одного параметра качества, а также многофункциональные приборы и системы, называемые также анализаторами ПКЭ, которые позволяют измерять и оценивать ряд характеристик или параметров ПКЭ. Широко используются на практике компьютерные измерительные системы.

В настоящее время производятся и используются измерительные приборы и системы, основанные, в основном, на цифровой технике. В пользовании находятся также приборы и системы, основанные на аналоговых принципах. Анализаторы ПКЭ являются многофункциональными приборами, предназначенными для измерения характеристик и параметров качества электроэнергии, которые находят все более широкое применение в электроэнергетике и у потребителей, главным образом, на промышленных предприятиях. Их изготавливает ряд известных фирм, в частности, – LEM и Flucke. Большое распространение получили анализаторы качества электроэнергии фирмы LEM типов MEMBOX и TOPAS. Анализаторы MEMBOX выполняются в 3-х версиях: типа KU – предназначены для анализа КЭ и оценки различных возмущений; типа Р – для измерения мощности и оптимизации электрических сетей и типа А, которые являются комбинациями приборов типа KU и Р.

Анализаторы MEMBOX KU предназначены, прежде всего, для измерения ПКЭ и позволяют измерять все параметры качества напряжения согласно европейской норме EN50160: средние, максимальные и минимальные значения напряжения и частоты; ВГ напряжения от 1-й до 40-й, а также коэффициент искажения кривой напряжения КU(n) и ИГ напряжения в диапазоне 5 – 2500 Гц (с шагом 0,5 Гц). Прибор позволяет также измерять интенсивность, кратковременность и длительность фликера Pst и Plt, коэффициент асимметрии напряжения К2U, а также провалы и выбросы напряжения, а также высокочастотные сигналы, используемые для передачи информации.

С помощью этого анализатора можно выполнять анализ качества напряжения (напряжений) в течение 7 дней и сопоставлять полученные результаты с требуемыми согласно норме EN50160.

В анализаторах MEMBOX может использоваться соответствующее программное обеспечение, главной целью которого является: программирование измерений, анализ результатов измерений в функции on-line; возможна также графическая презентация программы.

Прибор типа TOPAS также являются многофункциональными анализаторами КЭ для сетей низкого и среднего напряжения и позволяют производить измерения и анализ напряжения тока и мощности, а также и напряжения в питающей сети согласно норме EN50160. Имеется возможность регистрации и анализа неустановившихся процессов и обнаружения источников возмущения.

Прибор позволяет также выполнять измерения и анализ ВГ и ИГ напряжения, интенсивность фликера Pst и Plt и коэффициент K2U.

С помощью прибора измеряются и рассчитываются действующие и средние значения напряжения и тока, представляются также осциллограммы напряжения и тока, анализ графиков напряжения и тока и их симметричных составляющих. Это служит для обнаружения источников колебаний напряжения, причин провалов и перерывов напряжения, а также позволяет выполнять анализ резонансных явлений. Имеется возможность выполнять многолетний сбор данных измерений (несколько тысяч) и передавать их on-line в компьютер для дальнейшего анализа.

Фирма Flucke также производит многофункциональные анализаторы качества электроэнергии – однофазные и трехфазные. Например, анализатор типа 434 имеет: 4 канала для одновременных измерений напряжений и токов в трех фазах и нулевом проводе; комплекс элементов для диагностики, измерения напряжений, токов, частоты, потребления энергии, асимметрии, гармоник и указателей мигания света.

Компьютерные системы измерений ПКЭ получают распространение во все большей мере. В качестве примера приведем характеристику компьютерной измерительной системы, разработанной в институте электроэнергетики Лодзинской политехникой (и коротко обозначаемой системой PL). Система служит для измерений и исследования избранных параметров КЭ в соответствии с требованиями стандарта EN50160. Система PL содержит три преобразователя напряжения; карту измерений и персональный компьютер.

Для оценки ПКЭ питающей сети система PL оснащается двумя компьютерными программами.

Программа PL используется для измерений и статистического анализа отклонений и асимметрии напряжения, а также действующих значений основной и высших гармоник напряжения, коэффициентов Pst и Plt.

На практике эта программа используется как в питающих электрических сетях, так и в сетях промышленных предприятий.

3.2. Электронные счетчики электрической энергии

Как поставщики, так и потребители электрической энергии заинтересованы в организации точного учета и, следовательно, минимизации потерь электрической энергии, особенно в условиях низкого КЭ. Внедрение современных микропроцессорных счетчиков, благодаря их высокой точности 0,2S и 0,5S позволяет получить достоверную информацию об электропотреблении. [66] Установка многотарифных счетчиков позволяет перейти на расчет за потребленную электроэнергию по современным тарифам. Во многих энергосистемах установлена разная цена на электроэнергию ночью, днем и в часы пиковых нагрузок энергосистемы.

Современный микропроцессорный счетчик – это фактически специализированный компьютер, установленный в точке учета. Он не только измеряет активную и реактивную электроэнергию в двух направлениях, но и фиксирует дату и время максимальной нагрузки для каждой тарифной зоны. После считывания информации со счетчика компьютер строит график потребления энергии.

Электромеханические индукционные счетчики являются самым распространенным измерительным прибором прошлого века; в настоящее время миллионы индукционных счетчиков работают в странах СНГ. Однако их место, особенно в случаях необходимости учета больших потоков энергии, все чаще занимают электронные счетчики. К их основным недостаткам следует отнести низкий класс точности; невозможность учета электрической энергии гармонических составляющих тока (ВГ); искажение учета при нарушении симметрии трехфазных электрических сетей и др.

Перечень счетчиков, внесенных в государственный реестр средств измерительной техники Украины, из общего числа 116 приборов составляет 65 единиц.

Большинство производителей счетчиков в странах СНГ используют элементную базу и технологии ведущих фирм мира.

Так, счетчик активной, реактивной и полной энергии EPQS является многофункциональным измерительным прибором, удовлетворяющий требования международного стандарта МЭК 60687. Счетчик включается через трансформатор тока и напряжения в трехпроводную и четырехпроводную сеть.

–  –  –

Счетчик имеет автономные часы, которые считают реальное время (часы, минуты, секунды), дату (год, месяц, день, день недели), формирует управляющие сигналы для восьми тарифов действующих временных зон (Т1…Т8; М1…М8). В случае отключения сети часы потребляют энергию от вмонтированной литиевой батареи, при отключении напряжения сети часы сохраняют функцию управления тарифными временными зонами в течение десяти лет.

Рассмотренный счетчик EPQS по принципу преобразования измеряемых величин и характеристикам аналогичен счетчику SL7000 Smart, но выпускается на территории СНГ.

Технические параметры счетчиков, произведенных в странах СНГ, не уступают счетчикам наиболее известных западных фирм при более низкой цене.

Высокий технический уровень приборов учета, производимых фирмами стран Западной Европы, основывается на применении уникальных технологий. Так, фирма «Siemens Metering Ltd» (Швейцария) изготавливает счетчики электрической энергии с использованием в качестве измерительных элементов – датчиков Холла. Датчик Холла выполняет прямое измерение активной мощности отдельных фаз и формирует импульсы, пропорциональные мощности, с высокой точностью.

С выхода измерительных элементов последовательность импульсов поступает в микропроцессор, который осуществляет управление процессом измерений, индикации и выдачи информации в каналы связи. Наличие микропроцессора позволяет счетчику работать при любых тарифах на электроэнергию.

Счетчик хранит в памяти суточные графики активной и реактивной мощности, значение количества потребляемой энергии с разбивкой по восьми тарифам.

Параметры счетчиков ZMB и ZFB (для трех- и четырехпроводных сетей) приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 – Некоторые параметры счетчиков ZMB и ZFB

–  –  –

ZMB и ZFB, подключаемые через трансформаторы тока и напряжения, позволяют измерять активную и реактивную энергию, а также максимальную мощность как в трехпроводных, так и в четырехпроводных сетях.

Большое распространение получили счетчики серии SL7000 Smart, которые функционально представляют собой законченную измерительную систему; система размещается в корпусе трехфазного счетчика электроэнергии. Вводы и выводы, коммуникационные интерфейсы (оптические, стандарта МЭК61107 и электрические) прибора обеспечивают обмен данными по стандартным протоколам.

Счетчик выполняет измерения и вычисления множества параметров энергопотребления, в том числе измерение энергии, расчет максимума нагрузки и запись графиков нагрузки по 8 каналам.

В памяти прибора хранятся архивные наборы данных измерений, а в специальном «электронном журнале» – до 500 записей о диагностических и других событиях изменения параметров сети и качества электроэнергии.

Счетчик SL7000 Smart, кроме измерения энергии и мощности, выполняет функции мониторинга следующих параметров электрической сети и качества напряжения: частоты (мгновенные значения, минимальная и максимальная частота в течение расчетного периода), тока и напряжения, а также контроль изоляции, повышение и понижение напряжения относительно заданного порогового значения и др.

Рассмотренные счетчики электрической энергии далеко не исчерпывают всего многообразия счетчиков, производимых в Европе. Однако принципы их работы и функциональные возможности являются типичными.

Компания «Эльстер Метроника» вышла на рынок СНГ с микропроцессорным высокоточным счетчиком электроэнергии АЛЬФА.

Счетчик АЛЬФА – микропроцессорный, многотарифный, трехфазный счетчик электроэнергии. Он предназначен для учета активной и реактивной энергии в цепях переменного тока, а также для использования в составе автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) для передачи измеренных параметров на диспетчерский пункт по контролю, учету и распределению электрической энергии.

Принцип измерения состоит в том, что выполняется аналого-цифровое преобразование величин напряжения и тока с последующим вычислением энергий и мощностей.

Счетчик АЛЬФА состоит из измерительных датчиков напряжения и тока, основной электронной платы с микроконтроллер. Измеряемые величины и другие требуемые данные отображаются на дисплее счетчика, выполненном на жидких кристаллах.

Измерение тока и напряжения силовых цепей осуществляется с помощью высоколинейных трансформаторов тока улучшенной конструкции и резистивных схем делителя напряжения.

Активная мощность вычисляется путем умножения измеренных цифровых значений напряжений и токов с помощью измерительной СБИС.

СБИС-измерения содержит программируемый цифровой сигнальный процессор с тремя встроенными аналогоцифровыми преобразователями (АЦП).

Импульсы, количество которых пропорционально измеренной энергии, с частотных выходов СБИС поступают на высокопроизводительный микроконтроллер. Микроконтроллер осуществляет функции контроля, передачи, приема и отображения данных в счетчике АЛЬФА.

ЕвроАЛЬФА – многофункциональный многотарифный, микропроцессорный, трехфазный счетчик электроэнергии – является дальнейшим развитием технологии, заложенной в счетчиках типа АЛЬФА.

Счетчик ЕвроАЛЬФА предназначен для использования как в составе АСКУЭ, так и автономно и служит для: измерения активной и реактивной энергии и мощности в режиме многотарифности; учета потребления и сбыта электроэнергии; контроля у управления энергопотреблением.

Счетчики ЕвроАЛЬФА предназначены для применения на перетоках, генерации, высоковольтных подстанциях, в распределительных сетях и у промышленного потребителя. Анализ технических характеристик счетчиков электроэнергии фирмы Эльстер Метроника, приведенных в табл. 3.3, показывает, что дальнейшее увеличение приборов семейства АЛЬФА было направлено на завоевание новых сегментов рынка Украины, России и других стран Европы.

–  –  –

Основной современной тенденцией развития приборов учета является придания им функций аудита качества сети. С этой точки зрения закономерным стало появление счетчиков АЛЬФА-ПЛЮС и ION 8500.

АЛЬФА-ПЛЮС – многофункциональный счетчик электрической энергии, является дальнейшим развитием технологии, заложенной в широко известных счетчиках типа АЛЬФА. Сохраняя в себе все положительные качества предыдущих счетчиков АЛЬФА, счетчики АЛЬФА-ПЛЮС имеют возможность измерять и отображать измеренные параметры качества электрической энергии, которые можно разделить на две группы – динамические (текущие значения) и интегральные параметры.

К динамическим параметрам относятся текущие значения фазных токов и фазных напряжений, фазные значения cos, частота сети, значения активной и полной мощности.

К интегральным параметрам относятся отклонения напряжения и токов, cos для отстающего и опережающего значения от своих уставок.

Счетчик может вести в своей памяти четыре журнала событий: журнал отключений питания, журнал связи, журнал событий, журнал таймеров ПКЭ. Счетчики АЛЬФА-ПЛЮС имеют ряд дополнительных функциональных возможностей, позволяющих осуществлять контроль за параметрами качества электроэнергии.

Помимо отображения ряда параметров АЛЬФА-ПЛЮС осуществляет постоянный мониторинг (контроль) за параметрами сети. Мониторинг сети осуществляется с помощью проводимых тестов. В этих тестах программно задаются минимальные и максимальные пороговые уставки, минимальные и максимальные длительности и некоторые другие величины, необходимые для проведения тестов и получения результатов.

Мониторинг включает в себя тестирование следующих основных параметров:

- напряжение сети (понижение, превышение);

- направление чередования фаз (АВС, СВА);

- пониженный ток в каждой фазе;

- коэффициент мощности фаз;

- провалы напряжения;

- коэффициент несинусоидальности тока;

- коэффициент несинусоидальности напряжения.

Использование цифровых интерфейсов позволяет более полно реализовать возможности счетчика АЛЬФА-ПЛЮС. Информация, получаемая от счетчиков, позволяет увидеть динамику изменения параметров сети, что наряду с коммерческими данными обеспечивает специалистов полной информацией о состоянии энергетической системы.

3.3. Требования к месту проведения испытаний по ЭМС Для того, чтобы электротехнические установки и электронные приборы выполняли заложенные заводом-изготовителем функции, они должны находиться и работать в соответствующей электромагнитной обстановке, не создавая при этом помех близлежащим аппаратам и установкам. Другими словами, необходимо, чтобы, помимо выполнения технических функций, приборы, аппараты, системы и установки отвечали также требованиям электромагнитной совместимости.

ЭМС становится особо важным моментом в связи с постоянным расширением электрических и телекоммуникационных сетей, каналами передачи данных, постоянным ростом использования электронных приборов, систем управления машинами и установками, совместно работающими в одной электромагнитной обстановке. Постоянный анализ причин и изучение физических основ взаимного влияния установок, а также разработке новых методов и средств оценки этого влияния позволяет своевременно принимать технические решения, обеспечивающие нормальную совместную работу приборов и оборудования.

Процесс взаимного влияния электротехнических установок друг на друга можно разделить на две основные области – виляние в области низких частот и области высоких частот. Влияние в области низких частот порождается переменным током до частоты порядка 10 КГц, в основном, за счет излучаемых электромагнитных полей кабелями питания. К ним зачастую относят и коммутационные помехи в системах постоянного тока.

В зависимости от состава оборудования и вида сетей и соединений различают взаимное влияние, порождаемое за счет электромагнитной индукции (наводки в близлежащих кабелях), электростатической индукции (различие напряжений в кабелях), а также контактной связи (через совместно используемые кабели).

Влияние в области высоких частот вызывается электромагнитными процессами в диапазонах частот более 10 КГц. К ним можно отнести электрические явления в атмосфере, излучения радиостанций и других высокочастотных передатчиков, а также электрические приборы, системы и установки различных видов, подключенные к общей сети переменного тока (например, частотные преобразователи).

Перечисленные виды помех и механизм их влияния на близлежащие приборы накладывает определенные требования на методику и условия испытаний на соответствие электромагнитной совместимости. Определяющая роль при этом отводится непосредственно месту проведения испытаний (электромагнитной обстановке). Электромагнитная обстановка на месте измерения должна обеспечить уверенное выделение помех от испытуемого образца на фоне посторонних помех.

Измерения помех в полевых условиях. При проведении измерений в полевых условиях в качестве базовой поверхности используется поверхность земли. Место измерения должно быть достаточно ровным, без воздушных ЛЭП, быть достаточно большим для возможной установки антенны на нужном расстоянии от испытуемого образца. Участок измерений должен быть свободен от посторонних проводящих предметов, не допускается наличие подземных кабелей и трубопроводных трасс.

Поверхность места измерения должна быть снабжена заземляющей подложкой (экраном).

В любом случае края заземляющей подложки должны минимум на 1 метр выходить за пределы размеров испытуемого образца и измерительной антенны, а также покрывать общую площадь между измеряемым образцом и антенной. Подложка выполняется из металла и не имеет открытых частей и щелей.

Испытуемое устройство и измерительные антенны располагаются на некотором расстоянии над заземляющей поверхностью, определяемом нормативной документацией (как правило, от 1 до 4 метров). Так как условия распространения волн на участке измерений могут оказывать существенное влияние на результаты измерений, то вначале проводится проверка степени ослабления как горизонтально, так и вертикально поляризированных электромагнитных полей, которое затем сравнивается с теоретическими значениями.

Для этого используются известные математические соотношения, которые позволяют рассчитать измеряемую приемной антенной мощность через излучаемую мощность и коэффициенты усиления антенн:

PE = GS GE Ps, 4r где GS, GE – коэффициенты усиления излучающей и приемной антенн; РS, РE – излучаемая и измеряемая мощности; – длина волны; r – расстояние между антеннами.

Расстояние между излучающей и приемной антеннами должно быть равно расстоянию, на котором в дальнейшем будут проводиться измерения с испытываемым образцом.

В диапазоне частот до 30 МГц измеряется, как правило, магнитная компонента поля. Поэтому отсутствие проводящих предметов и подземных коммуникаций в зоне измерения уже является достаточным условием пригодности места измерения.

В общем случае уровень посторонних помех на месте проведения измерений не должен превышать предельных уровней помех. Однако могут быть случаи, когда, вследствие наличия на месте измерения мощных сигналов от местных радиопередатчиков или других технических устройств, на определенных частотах невозможно провести измерения помех от испытуемого образца (или проверить его на помехозащищенность). В этом случае измерения проводятся на меньшем удалении антенны от испытуемого образца.

Измерения помех в лабораторных условиях. В связи с постоянным развитием излучающих электротехнических устройств и аппаратов, повышением их мощности и спектра частот, зачастую становится невозможным получить в полевых условиях репродуктивные результаты измерений во многих диапазонах частот. В этом случае приходится прибегать к измерениям в помещениях и экранированных камерах. В отличие от измерений в полевых условиях, где электромагнитные волны могут беспрепятственно распространяться, в закрытых помещениях может иметь место наложение полей вследствие отражения от стен, потолка и других предметов. Это может привести к искажению результатов измерений, что также накладывает определенные требования к организации и оборудованию места проведения испытаний.

Место проведения испытаний должно быть оборудовано металлическим заземляющим экраном, расположенным непосредственно на полу лаборатории. В качестве материала может быть использован алюминиевый или медный лист толщиной 0,25 мм. Если используются другие проводящие материалы, то их толщина должна составлять минимум 0,65 мм. Минимальная площадь заземляющего пола должна составлять минимум 1 м2;

точные размеры заземляющего элемента определяются размерами испытуемого устройства. В любом случае размеры заземляющего экрана должны со всех сторон на 0,5 м превышать размер испытуемого устройства или контактной плиты и заземляющий экран должен быть подключен к общей шине заземления лаборатории.

Испытуемое устройство (образец) устанавливается на контактной плите точно таким же образом, как и при нормальной эксплуатации, причем расстояние от него до стен лаборатории должно быть не менее 1 метра. В соответствии с инструкцией по эксплуатации испытуемое устройство подключается к системе заземления.

Для установки настольных приборов используется деревянный стол высотой 0,8 м, который устанавливается непосредственно на заземляющий экран. На поверхности стола монтируется контактная плита размером 1,6 0,8 м. Испытуемый образец и провода должны быть отделены от контактной плиты изолирующей подложкой толщиной 0,5 мм. Если испытуемое устройство имеет напольную конструкцию, то при испытании оно, посредством изолирующей подкладки, устанавливается на высоте 10 см над заземляющим экраном.

При проведении испытаний контактный электрод соприкасается непосредственно с корпусом испытуемого образца (прямое испытание) или с горизонтальной, а также вертикальной (размером 0,5 0,5 м) контактными плитами (косвенное испытание) и производится разряд конденсатора.

Ниже приведен образец протокола испытаний уровня ВГ.

Пример. Протокол контроля уровня n-й ВГ Допустимое значение Кол-во выходов Гармони

–  –  –

Глава четвертая

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

4.1. Вентильные преобразователи В цехах современных промышленных предприятий более половины электроэнергии используется в преобразованном виде (на металлургических заводах – более 90 %). Широко применяемые вентильные преобразователи (ВП), различного рода преобразователи частоты, бытовые приборы, работающие как в статических, так и переходных режимах, являются мощными генераторами ЭМП.

Нелинейные нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и электросварочных установок, ветроэлектростанции, силовые трансформаторы и электродвигатели также генерируют значительные ЭМП.

В табл. 4.1 указаны источники ЭМП на предприятиях различных отраслей промышленности [2].

Таблица 4.1.

Промышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в установившихся режимах Потребитель Помехи (ПКЭ) Производство химического волокна, целлюлозно-бумажная промышлен- Отклонения напряжения ность Машиностроительные предприятия с Отклонения, колебания, немощными сварочными установками симметрия напряжений Предприятия черной металлургии с Отклонения, колебания, недуговыми сталеплавильными печами синусоидальность, несимметрия напряжений Предприятия цветной металлургии Отклонения, колебания, неэлектролиз) синусоидальность напряжений Предприятия с мощными однофазными Отклонения, несимметрия электроприемниками напряжений Тяговые подстанции электрифициро- Отклонения, несинусоидальванного железнодорожного транспорта ность, несимметрия напряжений являются мощными Вентильные преобразователи концентрированными источниками гармонических помех – высших гармоник (ВГ). В наиболее часто применяемых 6пульсных мостовых схемах преобладающими являются 5, 7, 11, 13-я гармоники, называемые каноническими, уровни которых (по отношению к 1-й гармонике) обратно пропорциональны номеру, т.е. 1/5, 1/2, 1/11, 1/13 и т.д. При использовании 12пульсных схем теоретически нет 5 и 7-й гармоник, преобладают 11 и 13-я. Такие преобразователи применяются, например, в схемах главных приводов прокатных станов, в электролизном производстве и др. При ударных нагрузках, например, в прокатном производстве, в питающих электрических сетях возникают провалы и колебания напряжения.

Электропривод современной бумагоделательной машины состоит из 20–30, а иногда и большего числа электродвигателей, между которыми поддерживается строгое соотношение скоростей. Тиристорные преобразователи коммутируются по 6пульсной мостовой схеме и используются для питания одного или группы электродвигателей. При установившейся скорости токи 5, 7, 11 и 13-й гармоник составляют 90, 60, 38 и 30 А соответственно; уровни ВГ оказываются такого же порядка, как и для преобразователей клетей современных мощных прокатных станов.

При реализации 12-пульсных схем уровни 5, 7, 11 и 13-й гармоник составили 38, 30, 0,8 и 0,6 А.

В практике расчета ВГ вентильных преобразователей различных типов выпрямитель учитывается как источник канонических ВГ тока, уровень которых обратно пропорционален номеру гармоник. Это соответствует случаю, когда индуктивность цепи постоянного тока Ld =, а индуктивность контура коммутации Lk = 0. Кривые линейных токов имеют прямоугольноступенчатую форму длительностью 120 электрических градусов.

В реальных условиях, в зависимости от соотношения Ld и Lk, эти кривые деформированы вследствие наличия пульсирующей составляющей цепи постоянного тока (рис. 4.1).

Рассматриваемый случай характерен для случая, когда от ВП питается электродвигатель средней или малой мощности [57].

Наличие пульсаций сказывается на величине канонических гармоник в той большей мере, чем больше глубина пульсации (рис. 4.2), характеризуемая коэффициентом пульсации I.

Коэффициент I определяется отношением амплитуды наибольшей гармоники пульсирующего тока I6m к среднему значеI нию Id: I = 6m.

Id <

–  –  –

Из рассмотрения кривых рис. 4.3 можно заключить, что при уменьшении индуктивности Ld (или увеличения индуктивности контура коммутации Lk, что возможно при уменьшении мощности питающего трансформатора или мощности короткого замыкания в узле подключения ВП) существенно возрастает уровень 5-й гармоники сетевого тока и снижается уровень 7-й; уровни 11-й и 13-й гармоник изменяются незначительно. При тех же условиях возрастание уровня 6-й гармоники в сети пульсирующего тока приводит к аналогичному увеличению уровня ВГ в кривых сетевого тока.

При работе прокатных станов, в случае отсутствия специальных быстродействующих компенсирующих устройств, возникают значительные колебания напряжения. Так, в сети 10 кВ стана типа "слябинг" доза фликера (ДФ) составляет 10,5; на шинах 10 кВ составляет 2,2. В сети стана типа "блюминг" значение ДФ больше 4.

Набросы реактивной мощности при захвате металла валками достигают, например, для стана холодного проката 2000 Мвар, что приводит к возникновению провалов напряжения глубиной, в зависимости от номинального напряжения и мощности короткого замыкания (КЗ), до 10-12 %.

Вентильный преобразователь, работающий в сети с несимметрией линейных напряжений, является источником также тока обратной последовательности I 2 I 2 = 0,5 K 2U I1, где K 2U – коэффициент несимметрии линейных напряжений по обратной последовательности; I1 – первая гармоника сетевого тока ВП в симметричном режиме.

Фаза тока I 2 arg I 2 = 2 +, где 2 – сдвиг по фазе между векторами токов I 2 и I1 ; – угол управления ВП.

Преобразователи частоты (ПЧ) в последние годы находят все более широкое применение в металлургии, машиностроении, на предприятиях легкой промышленности; ПЧ являются источниками гармонических ЭМП, не только ВГ, но и интергармоник (ИГ), иначе – межгармоник, частоты которых находятся между частотами канонических ВГ.

Наибольшее применение находят ПЧ со звеном постоянного тока (ПЧП) и непосредственные преобразователи частоты – циклоконверторы (НЧП).

4.2. Непосредственные преобразователи частоты (циклоконверторы) В силовой преобразовательной технике широкое применение находят преобразователи частоты без промежуточного звена постоянного тока – непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). В настоящее время можно выделить следующие основные области применения различных типов НПЧ:

• регулируемые электроприводы переменного тока;

• источники энергии с неизменной частотой на выходе при переменной входной частоте;

• управляемые источники реактивной мощности для систем переменного тока;

• взаимные связи систем переменного тока для управления обменом энергией между ними.

На практике НПЧ питаются от трехфазных сетей, а их выход бывает либо однофазным (например, в тяговой сети переменного тока), либо трехфазным. В последнем случае НПЧ используются главным образом в регулируемых электрических приводах [33, 52].

Циклоконвекторы с естественной коммутацией вентилей (неуправляемые НПЧ) строятся на основе реверсивных выпрямителей переменного тока, представляющих собой встречнопараллельное соединение групп управляемых вентилей. Поочередное (циклическое) включение групп вызывает протекание в нагрузке переменного тока. Внутри каждой группы вентилей тока нагрузки передается от одного вентиля к другому, когда включаемый вентиль имеет на аноде более высокое напряжение, чем вентиль выключаемый.

На рис. 4.4 представлена структурная схема НПЧ с однофазным выходом, а на рис. 4.5 – форма выходного напряжения НПЧ.

Рис.4.4. Структурная схема НПЧ с однофазным выходом

–  –  –

Спектр тока питающей сети содержит канонические гармоники порядков (kp ± 1) для k = 0, 1, 2, где р – число пульсов реверсивного преобразователя. Вокруг них выступают боковые частоты; частотный спектр входного тока в случае однофазной нагрузки (kp ± 1) ± 2nf2, где f2 – выходная частота, n = 0, 1, 2....

Искажение входного тока циклоконвертора оказывается меньшим в случае трехфазной нагрузки, чем при однофазной (рис. 4.6).

Рис.4.6. Частоты ИГ, генерированных НПЧ при f1 = 50 Гц, р = 6, f2 = 2,5 Гц для однофазного и трехфазного потребителей

–  –  –

Рассмотрение рис. 4.7 позволяет заключить, что частоты ВГ и ИГ не отвечают приведенным выше соотношениям. Это обусловлено модуляционными процессами в СИФУ.

–  –  –

Расчет амплитуд и частот спектров выходных токов НПЧ является чрезвычайно сложной задачей, что отмечает профессор Б.И. Фираго.

Анализ выходных напряжений и входных токов НПЧ проводят, используя аппарат переключающих (иначе коммутационных) функций, характеризующих законы переключения ключей в силовом преобразователе. Для оценки спектральных характеристик переключающие функции представляют в виде тригонометрических рядов. Тогда кривые выходных напряжений и входных токов могут быть выражены математически в виде суммы синусоидальных составляющих с частотами, которые обычно являются суммами и разностями чисел, кратных частоте источника и желаемой выходной частоте.

В этом случае используется уравнение связи между матрицами входных iвх(t) и выходных iвых(t) токов:

i вх (t) = K (ц)i вых (t) i где K (ц) – транспонированная матрица, переключающей функции.

i Выражение входного тока НПЧ получается только при заданном виде модулирующей функции.

На рис. 4.8 приведен амплитудный спектр НПЧ при двух значениях выходной частоты f2 = 5 Гц и f2 = 20 Гц.

–  –  –

б) Рис. 4.8. Амплитудные спектры кривых входного тока фазы А трехфазно-однофазного мостового 6-пульсного НПЧ при синусоидальном законе управления и значениях выходной частоты: а) f2 = 5 Гц;

б) f2 = 20 Гц Анализ приведенных графиков показывает, что амплитудные спектры существенно зависят от значения выходной частоты f2, так как она определяет порядок гармонических составляющих, при некоторых значениях выходной частоты происходит наложение различных боковых составляющих.

Амплитуды высших гармоник и интергармоник зависят также от глубины модуляции, и фазового угла нагрузки н.

Для математического описания выходных напряжений и тока также используются переключающие функции, вид которых зависит от схемы НПЧ и его закона управления. Результаты расчетов показывают, что линейные и треугольные модулирующие функции позволяют обеспечить одинаковую величину амплитуды основной гармоники выходного напряжения; синусоидальные и прямоугольные, в сравнении с предыдущими, определяют уменьшение амплитуд в среднем на 12 % и 7 % соответственно.

Представляет интерес оценить степень влияния на выходное напряжение НПЧ выходной частоты и вида модулирующей функции. Анализ показал, что при линейных и треугольных модулирующих функциях, действующее значение выходного напряжения за счет ВГ и ИГ возрастает на 4 – 5 % в диапазоне выходных частот 5 – 30 Гц. При синусоидальных и прямоугольных модулирующих функциях увеличение выходного напряжения составляет 7 % и 13 % соответственно.

Искажения выходного напряжения мало зависят от частоты, его зависимость от глубины модуляции оказывается более существенной. В зависимости от значения выходной частоты в диапазоне 5 – 15 Гц при изменении глубины модуляции от 0,1 до 1 значения выходного напряжения могут изменяться в 2 – 2,5 раза.

Преобразователь частоты для питающей сети является нелинейной нагрузкой, которая характеризуется несколькими параметрами кривой входного (сетевого) тока: коэффициентом искажения вх, а также коэффициентом сдвига вх и коэффициентом мощности вх = вх вх. Спектр тока характеризуется также относительными частотами и амплитудами ИГ и ВГ – nвх и вх;

nвх k = (Iигk / Iвх), k = 1, 2,....

Коэффициент мощности вх = вх вх = вх cos.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о существенном влиянии пульсности ВГ на степень искажения кривой сетевого тока НПЧ и его коэффициент мощности.

Расчет значения вх для трехфазно-однофазного НПЧ, в зависимости от системы управления, чрезвычайно сложен; как правило, он выполняется на ЭВМ.

Коэффициент искажения выходного тока существенно зависит также от способа регулирования выходного напряжения – с помощью ШИМ или сдвига фаз и числа фаз на выходе. Так, при трехфазно-однофазном НПЧ коэффициент искажения при числе пульсаций 6 и 12 составляет соответственно 0,68 и 0,70 при регулировании с помощью ШИМ и 0,67 и 0,76 при регулировании с помощью сдвига фаз.

4.3. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока Диапазон применения преобразователей частоты со звеном постоянного тока – от приводов прокатных станов до рольгангов, вспомогательных механизмов и вентиляторов. Эти ПЧП, так же, как и НПЧ, являются мощными источниками высших гармоник канонических порядков и интергармоник, их совокупный уровень значительно превосходит уровень искажений, создаваемый тиристорными преобразователями, не входящими в систему НПЧ и ПЧП. Двойное преобразование энергии, происходящее в ПЧП, несколько снижает его КПД. Но ряд других серьезных преимуществ этих преобразователей обеспечивает их доминирующую роль в современном электроприводе. Средняя окупаемость вложенных средств не превышает 1,5 года.

Преобразователь со звеном постоянного тока (рис.4.9) состоит из двух вентильных систем – выпрямителя В и инвертора И (как правило, инвертора напряжения). Звено постоянного тока включает индуктивность Ld и емкость С. Выпрямитель и инвертор могут быть управляемыми или неуправляемыми, соответствующие системы управления (если они имеются) могут быть независимыми или связанными между собой. Мощные ПЧП оснащаются сглаживающим реактором Ld, предназначенным для уменьшения пульсаций тока id, а в маломощных преобразователей связь выпрямителя и инвертора осуществляется только с помощью конденсатора С. Во всех случаях ПЧП подключаются к сети непосредственно, т.е. без специального трансформатора.

0,15 0,155 = = 0,09 или 9 %.

5/3 Из этих примеров следует, что при одном и том же коэффициенте пульсаций по току т уровень ИГ, в сравнении с использованием дросселя в цепи постоянного тока, при установке ёмкости в качестве фильтра оказывается существенно меньшим (примерно в 2 раза).

Оценим значения коэффициентов искажения входного тока для обоих рассмотренных случаев: при наличии только индуктивности в цепи фильтра L = 0,21 2 = 0,3 ; емкости C = 0,09 2 = 0,13.

В результате расчетов оказывается вхL = 0,92; вхС = 0,98, что дополнительно подтверждает целесообразность использования конденсаторов в звене постоянного тока.

В последнее время широкое распространение получили ПЧП с управлением с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 4.10). При ШИМ периодическая последовательность прямоугольных импульсов используется в качестве несущего колебания, а длительность этих импульсов является задающим сигналом.

Рис. 4.10 Структурная схема ПЧП с ШИМ

Одним из основных преимуществ, учитываемых при выборе ШИМ, как системы управления, указывается отсутствие ВГ на выходе преобразователя. Благодаря этому отсутствует дополнительный нагрев двигателя и снижение электромагнитного момента в колебаниях вала. Вызывает интерес оценка электромагнитной совместимости ПЧП и ШИМ с питающей сетью.

Амплитудный спектр входного тока ПЧП с ШИМ также содержит, наряду с ВГ, ИГ во всем диапазоне изменения выходной частоты преобразователя. Уровни ВГ, так и ИГ в спектре входного тока ПЧП с ШИМ ниже, чем без использования данного метода задания сигнала управления вентилями преобразователя. Однако вызывает интерес следующий факт: при использовании ШИМ действующие значения ВГ снижаются в среднем в 1,5 – 3,0 раза, действующие значения ИГ уменьшаются в среднем на 40 %. Таким образом, применение ШИМ существенно снижает уровни ВГ и в значительно меньшей степени влияет на уровни ИГ (табл. 4.2).

–  –  –

Рис. 4.11. Принципиальная схема каскада

2. Интергармоники из звена постоянного тока, которые с помощью преобразователя Р2 переходят в питающую сеть как боковые составляющие вокруг его канонических гармоник.

С первичной стороны трансформатора т.е. со стороны питающей сети появляются составляющие с частотами:

f n,1 = (kp2 ± 1) f1 ± p1nf 2 = (kp2 ± 1) f1 ± p1nsf1, n = 0, 1, 2,... k = 0, 1, 2,...

где s – скольжение; р1 и р2 – число пульсов преобразователя Р1 и Р2.

Для n = 0 очередные значения коэффициента k означают частоты канонических гармоник для данной конфигурации преобразователя Р2. Для n 0 последующие значения коэффициента k представляют частоты интергармоник, т.е. боковых частот вокруг гармоник моста Р2.

3. Гармонические составляющие, наличие которых обусловлено трансформацией гармоник ротора на сторону статора. Составляющие токов ротора с частотой fn,2, образующие симметричную трехфазную систему, появляются в статоре с частотой fn,1:

f n,1 = f n,2 ± f1 = f n,2 ± f1 (1 s ) = = sf1 (kp1 ± 1) ± f1 (1 s ) = f1 ( skp1 ± 1).

Знак перед f1 зависит от того, образуют ли гармоники ротора систему, вращающуюся согласно (+) или против (–) направления вращения поля статора.

Асимметрия трехфазной системы для данной гармоники тока ротора вызывает наличие в статоре пары интергармоник:

f n,1 = f n,2 ± f1. Существенное значение в каскадных устройствах имеют гармоники типичные для выпрямителя. Дополнительные составляющие, являющиеся ИГ, имеют, в зависимости от мощности нагрузки, заметную величину.

–  –  –

Тиристорный электропривод на базе вентильного двигателя предназначен для механизмов, у которых изменение технологических режимов достигается регулированием частоты вращения синхронного двигателя СД, ограниченными пусковым моментом и током. Структурная схема привода с вентильным двигателем представлена на рис. 4.13. Основными элементами привода являются управляемые тиристорные выпрямитель В и инвертор И, с помощью которых осуществляется выпрямление сетевого тока и преобразование выпрямленного тока в ток регулируемой частоты для питания синхронного двигателя. Мощность привода составляет от 0,8 до 25 МВт. Тиристорный преобразователь привода является мощным источником ВГ.

Рис. 4.13 Структурная схема вентильного двигателя В устройствах ВД используются, как правило, ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. В качестве двигателей используются СД или асинхронизированное АД с фазным ротором. Обязательным элементом ВД является датчик положения ротора ДПР. Скорость ВД регулируется изменением напряжения, подведенного к ротору.

Гармонический состав сетевого тока определяется выражением f с = ( kp1 ± 1) f1 + р2 nf 2, где р1 и р2 – число пульсов выпрямителя и инвертора; k = 0; 1;

2…; n = 0; 1; 2….

Уровень ИГ сетевого тока ВД значительно меньше, чем АВК (табл. 4.4).

–  –  –

4.5. Выключатели с тиристорным управлением Этот метод управления обеспечивает протекание тока через полупроводниковый выключатель в течение некоторых периодов. Ток имеет синусоидальную форму либо отсутствует. На рис. 4.14 представлен пример управления в трехфазной схеме. В дальнейшей части будет рассматриваться однофазный потребитель, который часто встречается на практике. Управление определенными периодами состоит в выборе N периодов проводимости при общем их числе М. Выбирая значение отношения N /M, управляют средним значением мощности, выдаваемой электроприемнику. Этот вид управления называют интегральным. Ток потребителя может быть описан зависимостью i0 = 2 I 0 sin( Mt ) 0 ( N / M ) + 0 2 N / M ), (

–  –  –

Рис. 4.14. Управление переменным током в трёхфазном (а) и однофазном (b) устройстве Для k =1 выражения (4.9) (4.11) описывают субгармонику, которая является составляющей тока самой низкой частоты – (1/М)f. Для примера (рис. 4.15), где N = 2, M = 3, её значение составляет частоты напряжения питания. Частота остальных составляющих кратна ей.

–  –  –

Период напряжения источника питания (Т) Период проводимости (NT) Период управления (МT) Рис. 4.15. Кривая мгновенного значения тока потребителя при интегральном управлении N = 2, M = 3 где k является порядковым номером составляющих.

Этот вид управления является источником субгармоник (т.е. составляющих с частотами ниже основной) и интергармоник, однако, не является источником высших гармоник. Если N = 2, М = 3, как в примере на рис. 4.15, амплитуды гармоник равны нулю для k = 6, 9, 12, ….Спектр тока для этого случая представлен на рис. 4.16. Как видно в амплитудном спектре преобладает составляющая с частотой питающего напряжения и субгармоника при k = 2 с частотой (2f)/3. На основе рисунка 4.14 можно определить соответствующие амплитуды ИГ в рассматриваемом устройстве управления.

–  –  –

33% 23,6% 20,6% 10% 3% 4% 1,8% 1,5%

–  –  –

Рис. 4.17. Значение амплитуд субгармоник при интегральном управлении потребителем Для N = 1, M = 2 и f = 50 Гц частота первой гармоники составляет 50 Гц, k = 1. Таблица 4.5 представляет относительные значения очередных остальных субгармоник.

–  –  –

Сигналы управления и передачи данных в электроэнергетических системах. Несмотря на то, что электрические сети предназначены для электроснабжения потребителей, их также используют для передачи сигнала управления, например, для управления определенной категорией потребителей (освещение улиц, изменение тарифов, телепереключение потребителей и т.д.) или передачи данных. Промышленные сети не используются для передачи сигналов, используемых частными потребителями. С технической точки зрения, эти сигналы являются источником ИГ продолжительностью 0,5–2 с с периодом повторяемости последовательностей 6–180 с. В большинстве случаев импульс имеет длительность 0,5 с, а общая продолжительность последовательностей 30 с. Напряжение и частота сигнала предварительно согласовывается и сигнал подается в определенное время.

В стандарте IEC 61000-2-1 определены ч е т ы р е о с н о в ные категории этих сигналов:

• низкой частоты. Синусоидальные сигналы в пределах 110–2200 (3000) Гц, в новых системах, обычно, 110–500 Гц. Они преимущественно используются в профессиональных электросистемах (иногда – в промышленных) на уровнях низкого, среднего и высокого напряжения. Амплитуда сигнала синусоидального напряжения находится в пределах 2–5 % номинального напряжения (зависит от местной практики). В условиях резонанса она может увеличиться до 9 %;

• средней частоты: синусоидальные сигналы в пределах 3–20 кГц, преимущественно – 6–8 кГц. Используются, главным образом, в профессиональных электросистемах. Амплитуда сигнала – до 2 % U ном ;

• радиочастоты: 20–159 (148,5) кГц (в некоторых государствах – до 500 кГц). Используются в профессиональных, промышленных и коммунальных электросистемах, а также для коммерческого применения (телеуправление разными устройствами и т.п.);

• пометки на напряжении питания. Несинусоидальные шаблоны на волновой диаграмме напряжения в виде:

- долгих импульсов напряжения длительностью до 1,5–2 мс;

- коротких импульсов напряжения длительностью 20–50 мкс;

- импульсов с частотой 50 Гц и длительностью равной периоду напряжения сети или его половине.

На рисунке 4.15 представлен пример спектра напряжения для системы передачи данных на частоте 175 Гц. В спектре имеются также другие ИГ, генерированные в результате взаимодействия с каноническими гармониками. Гармоники выше второй не существенны. Они не мешают работе электроприемника. Однако ИГ с частотой меньшей 200 Гц могут быть источниками проблемы.

–  –  –

Рис. 4.18. Результаты быстрого преобразования Фурье напряжения во время эмиссии сигнала передачи данных

4.6. Дуговые сталеплавильные печи и электросварочные установки

–  –  –

Кривые линейных токов ДСП искажены в значительно меньшей мере, чем токов ВП. На рис. 4.19 а и б, представлены графики изменения тока фазы В печи ДСП-100 на участке стационарности длительностью 60 с и амплитудный спектр действующих значений тока в диапазоне 0–2,5 Гц, полученный путем гармонического анализа с использованием быстрого преобразования Фурье.

–  –  –

Из рассмотрения линейчатого спектра следует, что в диапазоне 0–2,5 Гц появляются ИГ, уровни которых могут достигать 10 % тока основной частоты. В целом спектр процесса изменений тока ДСП в период расплавления является смешанным, состоящим из дискретной и непрерывной составляющих. Энергия ИГ для печей ДСП-100 и ДСП-200 составляет около 20 % всей энергии смешанного спектра.

Несимметрия напряжений на шинах ДСП, в зависимости от напряжения питания, достигает 5–6 % для сетей 6–10–35 кВ и 3 % – для сетей 110 кВ. Для тех же случаев значение дозы фликера (миганий) находится, как правило, в пределах 1,5-10.

Электросварочные установки (ЭСУ) создают практически все ЭМП, характеризующие КЭ: ВГ, несимметрию, провалы и колебания напряжения [11, 12].

Т о к и В Г м а ш и н к о н т а к т н о й с в а р к и определяются по выражению I n = Sном kз.с ПВф.с n 2U ном, где Sном – номинальная (паспортная) мощность ЭСУ; kз.с, ПВф.с – среднестатистические коэффициенты загрузки и фактической продолжительности включения; n = 3, 5, 7.

Пределы изменения гармоник тока одноточечных ЭСУ для n = 3 составляют 12–30 %, для n = 5 – 4–15 % и для n = 7 – 2–8 %.

Токи ВГ сварочных машин постоянного т о к а и сварочных выпрямителей, коммутируемых по 6-пульсной схеме, рассчитываются по аналогичному выражению I n = Sном kз.с ПВф.с 3 n 2U ном ;

n = 5, 7, 11.

Коэффициент несимметрии в сетях с ЭСУ находится в пределах 1–5 %.

Подобно ДСП электросварочные установки являются также источниками ИГ. При точечной сварке ИГ появляются в диапазоне 35-75 Гц с амплитудами, достигающими 20 % основной гармоники сварочного тока. На рис. 4.20 представлен амплитудный спектр тока многоточечной сварочной машины; видно, что спектр ИГ охватывает диапазон 0–20 Гц при относительных значениях отдельных амплитуд до 6 %.

Для всех ЭСУ энергия дискретного спектра составляет 6– 20 % общей энергии смешанного спектра.

Газоразрядные лампы (люминесцентные и дуговые ртутные) являются источниками гармоник. Относительная величина токов 3 и 5-й ВГ составляет 16–21 % и 0,9–3 % для люминесцентных ламп с индуктивно-емкостным балластным сопротивлением, для дуговых ртутных ламп с компенсацией – 18 % и 5,8–7,2 %.

I n = 0, 25Sном / n 2U ном, где Sном – номинальная мощность ламп.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) являются интенсивным источником ЭМП, в основном ВГ и колебаний напряжения.

Первичное преобразование энергии ветра в механическую энергию в подавляющем большинстве современных мощных ВЭУ осуществляется при помощи трехлопастных горизонтально-осевых ветродвигателей, обладающих относительно высоким коэффициентом использования энергии ветра и возможностью регулирования крутящего момента путем изменения углов атаки лопастей.

Характерной особенностью современного парка мощных ВЭУ является применение в большинстве конструкций (более 80 %) асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором.

Определяющими факторами являются более высокая надежность асинхронных машин и меньшие затраты на производство единицы электрической энергии в связи с их меньшей стоимостью. В последние 30 лет в мировой ветроэнергетике наблюдается устойчивая тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, до 5 – 6 мегаватт.

В составе ВП наиболее широкое распространение получили ВЭУ с единичными мощностями от 1,5 до 3,5 МВт, номинальным напряжением на выходе генератора 660 – 690 В и диаметрами ВТ от 60 до90 метров.

Современная сетевая ВЭУ снабжается собственным повышающим трансформатором, а соединение установок между собой осуществляется на стороне среднего напряжения от 6 до 30 кВ.

На рис. 4.21 и 4.22, представлены типовая схема мощной ветроэнергетической установки и схема электрической сети, в узлах которой производились измерения длительной дозы фликера PLl и коэффициента искажения синусоидальности кривые напряжения КU.

–  –  –

Рис.4.21. Типовая схема мошной ветроэнергетической установки ТГ5 ТГ6 ТГ1 ТГ3 ТГ2

–  –  –

Рис. 4.22. Схема электрической сети с ветроэнергетической установкой Некоторые результаты измерений, приведенные ниже, свидетельствуют о весьма значительных уровнях колебаний; величины Ки в некоторых узлах также велики. Колебания напряжения различны по фазам, значения Ки различны в меньшей мере.

–  –  –

Солнечная энергия определяет жизнь нашей планеты. Поток ее существенно меняется на протяжении года в зависимости от широты местности.

Среднегодовое количество суммарной солнечной радиации на 1 м2 поверхности на территории Украины находится в границах: 1000 кВт·чм2 – 1400 кВт·чм2. Солнечная энергия, которая реально поступает за три дня на территорию Украины, превышает энергию всего годового потребления электроэнергии в стране. Среднегодовой потенциал солнечной энергии в Украине – 1235 кВт·чм2 – высок и намного выше, чем, например, в Германии, – 1000 кВт·чм2 или Польше – 1080 кВт·чм2. Следовательно, имеются хорошие возможности для эффективного использования теплоэнергетического оборудования на территории Украины.

Солнечная электрическая станция состоит из следующих элементов: фотоэлектрические панели преобразуют солнечную энергию в электрическую; инвертор преобразует постоянный ток от солнечных батарей в переменный; солнечный контроллер – пульт управления энергетической системой. Контроллер не допускает перегрузки системы или обратного тока в ночное время.

Модули солнечной батареи наземного применения, как правило, конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов.

Схемы солнечного фотомодуля и солнечной электростанции представлены на рис. 4.23 и 4.24.

Наличие устройства АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии солнечной энергии и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Схема может использоваться и наоборот – солнечный фотомодуль, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи модуля при потери питания от электросети.

Уровни ВГ и ИГ в сети потребителя, как правило, не превосходят 3 – 4 %.

4.7. Помехи в контактных сетях электрического транспорта Электрические помехи в контактных сетях проявляются в широком диапазоне частот и имеют сложный и разнообразный—характер. В низкочастотной части спектра интенсивность помех наибольшая, с увеличением частоты уровень помех снижается. Источником импульсных помех является искрение, возникающее во время работы электроустановок (разъединителей, электрических машин и т. п.). Интенсивность ЭМП, образующихся при движении электровозов, в значительной степени зависит от состояния контактного провода и рельсового пути, материала контактного провода и токоприемника, их конструкции, скорости движения электровоза и состояния изоляции линии. Отрицательно влияют также неправильная подвеска контактного провода, наличие на нем зазубрин, выступов, плохое состояние рельсовых стыков. Уровень ЭМП зависит также от материала контактного провода и токоприемника. Он особенно значителен на участке, где вместо медного троллея используется стальной провод, так как на поверхности стального провода с течением времени образуются ржавчина и различные неровности. Плохой контакт между колесами и рельсами на загрязненном рельсовом пути и при торможении или при буксовке также является источником ЭМП.

На линиях напряжением 35 кВ защитные разрядники во время грозы создают импульсные ЭМП длительностью около 1 мксек, что приводит к появлению помех в широком спектре во всей полосе частот канала связи. Фильтры аппаратуры связи изменяют форму и амплитуду импульсов и увеличивают их длительность.

Помехи, вызванные срабатыванием трубчатых разрядников во время грозы, вызывают ложное срабатывание реле аппаратуры высокочастотной связи. В сетях 6–10 кВ при перегорании высоковольтных предохранителей во время коротких замыканий возникают перенапряжения, кратность которых достигает (4,5–7) Uф. Эти перенапряжения могут создавать импульсные ЭМП, нарушающие работу аппаратуры телемеханики.

Основным источником гармонических ЭМП служат вентильные преобразователи на тяговых подстанциях. Применяются преимущественно тиристорные 6-пульсные ВП. При их работе появляется большое количество переменных составляющих тока, различных по частоте и амплитуде. Наибольшую амплитуду имеет переменная составляющая с частотой 300 Гц при работе по 6-пульсной схеме (506 = 300 Гц). Помимо частоты 300 Гц, образуются ВГ 600 Гц, 900 Гц и т. д., уровень которых с увеличением частоты уменьшается.

На некоторых частотах проявляются значительные всплески уровней ЭМП за счет резонансов в схеме тяговой подстанции.

Глава пятая

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ, СИСТЕМЫ

РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ,

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ, ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

5.1. Влияние электромагнитных помех на электрооборудование, системы защиты и автоматики Отрицательное воздействие ЭМП, в первую очередь, являющихся ПКЭ, многофакторно и проявляется по разному, в зависимости от вида ЭМП. Однако общим для всех ЭМП является увеличение потерь в электрооборудовании и сокращение его срока службы, а также функциональной надежности. При совместном воздействии нескольких ЭМП степень воздействия оказывается больше, чем их сумма.

Следующие данные свидетельствуют о масштабах последствий от совокупного воздействия ЭМП. В США установлено примерно 700 млн электродвигателей. При среднем сроке службы этих двигателей 30 лет требуется ежегодная замена 23 млн электродвигателей. При существующем КЭ наблюдается сокращение срока службы на 2 года, что приводит к необходимости дополнительной замены 3 млн двигателей в год.

Отклонения напряжения. Главным источником отклонений (изменений) напряжения в СЭС является изменение нагрузок, вызываемое прежде всего:

режимом работы потребителей электроэнергии;

изменением числа подключенных потребителей;

оперативными переключениями;

нарушениями работы сети.

Отклонения напряжения у потребителей и других электротехнических устройств непосредственно связано с падением напряжения и его регулированием в сети. Нагрузка изменяется во времени, в то же время изменяется падение напряжения у источников (и тем самым отклонения напряжения).

Значение отклонения U t напряжения в данном пункте сети является функцией многих переменных, а именно:

U t = f (U s, P, Q, Z, Y, U d ), где P и Q – потребляемая активная и реактивная мощность в рассматриваемой сети; Us - напряжение питающей сети (например, на шинах подстанции); Z и Y - сопротивления и проводимость элементов питающей сети; U d - сумма «добавок» - дополнительных напряжений (например, в трансформаторе или трансформаторах питающей сети).

Влияние отклонений напряжения на потребляемую активную и реактивную м о щ н о с т ь можно увидеть на кривых статических характеристик нагрузки по напряжению. Соответствующие графики представлены на рис. 5.1.

–  –  –

Рис. 5.1. Статические характеристики нагрузки по напряжению В рассматриваемом диапазоне изменения отклонений напряжения снижается производительность ДСП и возрастает удельный расход электроэнергии; при положительных отклонениях напряжения производительность ДСП возрастает при уменьшении удельных расходов электроэнергии. Удельный расход электроэнергии, потребляемой тиристорным преобразователем частоты, существенно возрастает при U у 0 и несколько снижается при U у 0.

Для осветительных электроприемников характерно уменьшение светового потока при пониженном, в сравнении с номинальным, напряжением. Так, при напряжении, равном 0,9U ном, световой поток ламп накаливания снижается на 40 %, при увеличении до 1,1U ном – возрастает на такую же величину, однако при этом срок службы ламп уменьшается в 4 раза.

Люминесцентные лампы и лампы типа Д Р Л - 4 0 0 менее чувствительны к изменению напряжения, чем лампы накаливания, однако при уменьшении напряжения до 0,8U ном и ниже зажигание ламп становится невозможным.

Несимметрия напряжений в СЭС предприятий обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок (индукционных плавильных и нагревательных печей, сварочных агрегатов, печей электрошлакового переплава), а также трехфазных, длительно работающих в несимметричном режиме (например, ДСП). Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений в т р е х ф а з н ы х с е т я х появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и ЭО и снижаются экономические показатели его работы.

В электрических машинах переменного ток а возникают магнитные поля, вращающиеся с синхронной скоростью в направлении вращения ротора и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В а с и н х р о н н ы х д в и г а т е л я х ( А Д ) при коэффициентах обратной последовательности напряжений, встречающихся на практике ( K 2U 0,05 0,06), снижение вращающего момента АД оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Актюбинский региональный государственный университет имени...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.