В сетях с 12-пульсными ВП устанавливается ФКУ 11-й гармоники. В этом случае может быть использовано также ФКУ, настроенное на частоту 7-9-й гармоник (в том числе и дробной частоты), если будет обеспечено требуемое снижение несинусоидальности напряжения. Такое решение позволяет облегчить условия работы конденсаторов и увеличить срок их службы.

Возможна установка ФКУ и отдельных БК в случае, если последние используются для регулирования напряжения. При установке ФКУ 5-й гармоники должно соблюдаться условие k_БК/ k_р 2, 11-й гармоники k_БК/ k_р 1,5. Здесь k_БК=Q_БК/S_к, где Q_БК - установленная мощность отдельной БК.

Конденсаторы в схемах ФКУ могут соединяться в треугольник или звезду. Выбор способа включения определяется соотношением номинальных напряжений сети и конденсаторов. Заземлять нулевую точку БК ФКУ в сетях 6-10 кВ недопустимо.

При включении в звезду реакторы могут подключаться либо после конденсаторов к нулевой точке, либо до них. При подключении БК после реакторов они могут быть разделены на две группы; в нейтральный провод через трансформатор тока или напряжения включается реле аварийной сигнализации, срабатывающее при выходе из строя одного конденсатора. Батареи конденсаторов целесообразно набирать из конденсаторов напряжением выше 1кВ большой единичной мощности (50-100 квар).

Мощность БК ФКУ, квар, определяется по выражению

(12.6)

где U_номБК - номинальное напряжение БК, кВ; I - действующее значение ВГ тока, проходящих через ФКУ _р-й гармоники, А; - при соединении БК в звезду; - при соединении в треугольник.

Ток I определяется по формуле (при n учитываемых гармониках):

(12.7)

где I_q - ток _q-й гармоники; _q - доля тока _q-й гармоники, проходящего через ФКУ _р-й гармоники.

Коэффициенты _q находятся по следующим выражениям:

(12.8)

где .

При установке двух ФКУ с частотами настройки _р1 и _р2:

(12.9)

(12.10)

где ;; ; .

При установке одного ФКУ и отдельной БК

(12.11)

(12.12)

Отсутствие перегрузки БК по мощности и превышения напряжения на них сверх номинального проверяются с помощью неравенства

, (12.13)

где _р - номер гармоники, на которую настроено ФКУ; - наибольшее возможное в условиях эксплуатации значение линейного напряжения на шинах подстанции; - ток -й гармоники, протекающий через БК; с_u - коэффициент допустимости перегрузки БК по напряжению.

Для > 3 вторым слагаемым можно пренебречь, и условие (12.13) примет вид

.

Условие отсутствия перегрузки по току

,

где с_i - коэффициент допустимости перегрузки БК по току.

Если требуемая мощность БК ФКУ превосходит оптимальную величину РМ Q_к.у, ФКУ настраивается на частоту гармоники порядка

(12.14)

где _нм - наименьший порядок гармоники из имеющихся в амплитудном спектре тока нелинейных нагрузок; Q_p(_нм) - мощность БК, определенная по выражению (12.6).

Относительное значение остаточного напряжения -й гармоники после установки ФКУ

. (12.15)

При возможности параллельной работы ФКУ, подключенных к разным секциям (системам шин) подстанции и настроенных на частоту одной и той же гармоники, каждое из ФКУ выбирается по мощности КЗ при параллельной работе их с учетом суммарного тока ВГ источников.

13. Продолжение 12

В практике электроснабжения предприятий наибольшее распространение получила система местной или локальной компенсации ВГ и РМ, когда корректирующие устройства (как правило, ФКУ) подключаются непосредственно к узлу питания нелинейных нагрузок. Такой подход обеспечивает в ряде случаев снижение уровней ВГ до значений даже меньших, чем ПДЗ согласно стандарту, однако оказывается весьма дорогостоящим. В последние годы по рекомендации СИГРЭ на предприятиях начинает использоваться иной подход к корректировке уровней ВГ и КРМ, называемый централизованной компенсацией (или коррекцией) указанных параметров [81]. Как следует из названия, идея централизованной компенсации заключается в размещении ФКУ на одной из подстанций СЭС предприятия; параметры ФКУ выбираются таким образом, чтобы уровни ВГ на всех подстанциях СЭС были в допустимых пределах и обеспечивался необходимый уровень КРМ.

Задача выбора места установки, числа и мощности ФКУ в СЭС с несколькими нелинейными нагрузками решается методом последовательных приближений. На первом этапе производятся расчеты несинусоидальности при последовательной установке в каждом узле идеальных ФКУ 5, 7, 11 и 13-й ВГ; мощности ФКУ принимаются в предположении, что через ФКУ протекают только токи ВГ, на которые они настроены (другими словами, рассматривается режим КЗ в узлах для каждой ВГ). Далее выбираются те узлы, при установке идеальных ФКУ в которых обеспечивается снижение несинусоидальности до допустимого уровня. Операция повторяется; как правило, можно ограничиться вторым приближением.

Структурная схема алгоритма расчета снижения несинусоидальности путем централизованной коррекции представлена на рис. 13.1.

Централизованное использование ФКУ для снижения несинусоидальности наиболее эффективно в СЭС со стабильными конфигурацией и нагрузками. Приведенные затраты при централизованной коррекции несинусоидальных режимов оказываются на 15-20 % меньше в сравнении с вариантом локальной установки ФКУ.

В последние годы в СЭС предприятий и, особенно, ЭЭС получают распространение так называемые комбинированные или сложные фильтры ВГ. Они представляют собой комбинации ФКУ и БК и обладают свойствами узко- или широкополосных фильтров и источников РМ.

При этом уменьшаются мощность реакторных групп, загрузка конденсаторов по току и напряжению и в целом потери в фильтре.



Рисунок 13.1- Структурная схема расчета снижения несинусоидальности путем централизованной коррекции

В качестве примера на рис. 3.19 приведена схема комбинированного фильтра, который по своим свойствам эквивалентен сочетанию резонансного фильтра и отдельной БК; на рис. 3.20 представлена схема комбинированного фильтра шести ВГ. добротности всех полосных фильтров.

Рисунок 13.2- Схема комбинированного фильтра ВГ



Рисунок 13.3- Схема комбинированного фильтра шести ВГ

Каждое из звеньев этого устройства является фильтром двух ВГ; частоты этих ВГ устанавливаются соответствующим выбором параметров ректоров LR1, LR2, LR3, LR4, LR5, LR6. Резисторы обеспечивают снижение добротности всех полосных фильтров.

Пример 2. Выбрать ФКУ для подстанции, питающей электролизное производство. Исходные данные: мощность КЗ S_к = 185 МВ^.А; мощность 12-пульсного преобразователя 15 МВ^.А; U_ном = 10,5 кВ; оптимальное значение РМ Q_о = 3,1 Мвар; K_U(11) = = 5,8 %; K_U(13) = 4,3%; K_U = 7,3 %. Номинальное напряжение конденсаторов U_{ном БК} = 6,6 кВ.

Решение.

1. Токи ВГ преобразователей:

;.

2. Принимаем к установке один ФКУ, настроенный на частоту 11-й гармоники. Мощность БК принимаем равной оптимальному значению РМ:

Q_р = 3,1 Мвар;

.

3. Находим долю тока 13-й гармоники, протекающего через ФКУ:

.

Ток ВГ в цепи БК

А.

Минимальная мощность БК ФКУ на три фазы

Q_р = 3 1,2 93 6,6 = 2210 квар < 3000 квар,

что подтверждает допустимость установленной мощности БК.

При установке ФКУ 11-й и 13-й гармоник мощность БК фильтров Q_р = 3(1,26,675+1,26,663) = 3279 квар > 3100 квар, т.е. значительно больше оптимального значения РМ.

4. Фильтро-компенсирующее устройство 12-й гармоники при k_р = 1,4210^-2 будет загружено токами 11-й и 13-й гармоник:

;

.

Ток ВГ через ФКУ

.

Минимальная мощность БК ФКУ

Q_р = 31,21046,6 = 2474 квар < 3000 квар.

Таким образом, возможна также установка ФКУ, настроенного на частоту 12-й гармоники. Вариант установки ФКУ 11-й гармоники является предпочтительным, так как БК загружены по току на % меньше, что благоприятно сказывается на их температурном режиме и сроке службы.

14. Активные фильтры и фильтры высоких порядков

Опыт использования ФКУ в СЭС показал, что эти устройства, наряду с их несомненными достоинствами, имеют ряд недостатков: значительная установленная мощность, особенно в случае использования нескольких ФКУ; влияние АЧХ входного сопротивления питающей сети со стороны узла на качество фильтрации, в наибольшей мере - при нестабильности этой характеристики; вероятны значительные перегрузки ФКУ и их повреждения (например, в сетях ДСП) в случае, когда нельзя исключить появление ВГ более низкого порядка, чем частота настройки ФКУ. Имеются и другие недостатки.

Наиболее перспективным решением явилось применение активных и гибридных фильтров.

Рисунок 14.4- Структурная схема активного фильтра

Активный фильтр (АФ) является источником тока , который компенсирует реактивную составляющую (по Фризе) и ВГ тока нагрузки . Последнее обеспечивается с помощью устройства управления (на схеме не показано).

Активные фильтры включаются либо параллельно, как показано на рис. 3.21, либо предусматривается продольное включение - в рассечку линии.

Идентификация (выделение) реактивной составляющей и ВГ тока нагрузки основывается на определении активной мощности, потребляемой нагрузкой и, соответственно, активной составляющей этого тока. Путем вычитания этой составляющей из тока нагрузки находится «нежелательный» ток - реактивные составляющие первой гармоники и высших, подлежащие компенсации с помощью АФ.

На рис. 14.5 представлены осциллограммы токов i_L, i_к, i_S, полученные авторами на модели в лабораторных условиях, иллюстрирующие эффективность рассмотренного устройства параллельного АФ.

На рис. 14.5 представлена принципиальная схема продольной системы компенсации и фильтрации с использованием АФ.

Рисунок 14.5- Осциллограммы токов, иллюстрирующие эффективность устройства параллельного АФ

Рис. 14.6- Схема продольной системы компенсации и фильтрации с использованием АФ

Подобные системы позволяют обеспечить не только минимизацию ВГ и интергармоник, но и регулирование напряжения у потребителя, поскольку напряжение U_к может изменяться по амплитуде и фазе. Соответственно система продольного включения АФ может иметь характер индуктивного или емкостного сопротивления на основной частоте. В последнем случае она может рассматриваться как конденсатор в установке ПК.

Гибридные фильтры. Активные фильтры лишены ряда недостатков, присущих ФКУ. Однако установленная мощность АФ оказывается значительной, сравнимой с мощностью нелинейных нагрузок, уровень ВГ которых минимизируется с помощью АФ. Поэтому при больших мощностях ВП использование АФ может оказаться экономически нецелесообразным. Альтернативным решением является использование так называемых гибридных фильтров (ГФ), в которых АФ включается последовательно либо параллельно резонансным фильтрам.

На рис. 14.7 представлена схема параллельной гибридной системы компенсации ВГ и РМ.

Система рис. 14.7 называется параллельной, поскольку совокупность активных и резонансных фильтров включена параллельно источнику питания. Трехфазная сеть с индуктивностями L_S нагружена мостовым ВП, питающим потребителя с параметрами R₀, L₀. Установлены ФКУ 5-й и 7-й ВГ и один демпфированный широкополосный фильтр. Активный фильтр включен последовательно с ФКУ через трансформаторы тока с k_тр = 1.

В схеме последовательного (продольного) ГФ включается АФ последовательно с нагрузкой через специальные трансформаторы.

В обеих системах установленная мощность АФ оказывается значительно меньшей, чем при использовании только АФ, т.е. АФ играет роль вспомогательного устройства, обеспечивающего как бы дополнительную «подчистку» кривых напряжения и тока источника, искажаемых нелинейным потребителем.

Рекомендуемые способы подключения в конкретных случаях представлены в табл. 14.1.



Рисунок 14.7-Схема параллельного ГФ

Таблица 14.1

Способ подключения активного фильтра	Источник проблемы
	Влияние нагрузки на сеть	Влияние сети на нагрузку
Параллельно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения
Последовательно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения несимметрия напряжения	провалы/броски напряжения несимметрия напряжения искажения напряжения перерыв электроснабжения несимметрия напряжения
Последовательно-параллельно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения несимметрия напряжения	провалы/броски напряжения несимметрия напряжения искажения напряжения перерыв электроснабжения колебания напряжения

Для минимизации уровней ИГ используются также L-C фильтры 2-го и 3-го порядков.

Для случая «густого» спектра интергармоник, например, при работе НПЧ с синусоидальным законом управления, оказывается целесообразным применение демпфирующих фильтров (фильтров второго порядка). Демпфирующий фильтр состоит из конденсатора и реактора, параллельно которому подключено активное сопротивление (рис. 14.8).

Полное сопротивление фильтра определяется выражением



С точки зрения теоретической электротехники значение резонансной частоты фильтра определяется из условия равенства нулю мнимой части его комплексного сопротивления.

Рис. 14.8- Схема демпфирующего фильтра

Тогда

15. Методы и средства снижения несимметрии напряжений

Несимметрию напряжений, обусловленную несимметричными электроприемниками, можно ограничить до значений как с помощью схемных решений, так и путем применения специальных симметрирующих устройств.

Как известно, при соотношении мощностей КЗ в узле сети и однофазной нагрузки 50 коэффициент обратной последовательности напряжений не превышает . Поэтому целесообразно присоединять ЭП, вызывающие несимметрию, к узлам сети, где мощность КЗ удовлетворяет приведенному выше соотношению. Например, мощные однофазные ЭП можно подключать через отдельные трансформаторы к шинам 110-220 кВ, где уровень достаточно велик. В ряде случаев снижение несимметрии напряжений может быть обеспечено рациональным распределением нагрузок. При невозможности обеспечить требуемый уровень несимметрии напряжений с помощью схемных решений применяют симметрирующие устройства (СУ).

Симметрирование с помощью СУ сводится к компенсации эквивалентного тока обратной последовательности несимметричных нагрузок и, следовательно, обусловленного ими напряжения обратной последовательности. В зависимости от места установки СУ различают индивидуальный, групповой, централизованный и комбинированный способы симметрирования. Индивидуальные СУ устанавливаются непосредственно у несимметричных ЭП. При групповом симметрировании в различных точках сети устанавливается несколько СУ, каждое из которых симметрирует определенный участок сети с подключенной к нему группой несимметричных электроприемников. При централизованном симметрировании в распределительной сети устанавливается одно СУ. Комбинированный способ симметрирования заключается в сочетании СУ, представленных выше.

Каждый из способов симметрирования имеет свои особенности. Индивидуальный способ позволяет устранить несимметрию токов и напряжений непосредственно у потребителя, но при этом установленная мощность силовых элементов СУ используется нерационально. При централизованном способе требуется меньшая установленная мощность элементов СУ, но в сети с несимметричными нагрузками несимметрия токов сохраняется. Групповой способ симметрирования сочетает преимущества и недостатки индивидуального и централизованного способов. Выбор способа симметрирования определяется в основном параметрами сети и характером нагрузок.

Симметрирующие устройства выполняются неуправляемыми или управляемыми в зависимости от особенностей графика нагрузки. Известно большое число схем СУ, которые имеют как электрические, так и электромагнитные связи между элементами. Каждое конкретное схемное и техническое решение СУ имеет определенные достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Рассмотрим некоторые из известных СУ.

Симметрирующие устройства трансформаторного типа очень разнообразны. При помощи нескольких трансформаторов или специального трансформатора, включенного определенным образом между сетью и несимметричной нагрузкой, получают необходимое напряжение на нагрузке и добиваются некоторого выравнивания линейных токов. В качестве примера на рис. 15.1 приведена схема питания двухфазной нагрузки от трансформатора Скотта и векторные диаграммы токов и напряжений. Соотношения витков трансформаторов выбираются таким образом, чтобы вторичные напряжения их были равны. По этой схеме питаются индукционные плавильные печи. Симметрирующие устройства трансформаторного типа являются индивидуальными и нерегулируемыми, а их симметрирующие свойства зависят от характера нагрузки.

Симметрирующие устройства с электромагнитными связями делятся на две группы: с делителями (автотрансформаторные) и трансформаторные. В схемах с делителями мощность СУ обычно выбирается равной мощности нагрузки.

Рисунок 15.1- Схема и векторная диаграмма токов и напряжений при питании двухфазной нагрузки от трансформатора Скотта

С помощью переключения автотрансформаторной отпайки можно симметрировать нелинейную нагрузку с изменяющимся коэффициентом мощности. На рис. 15.2 представлена схема с одним регулируемым элементом . Такая схема имеет значение .

На рис. 15.3 показана схема СУ с двумя регулируемыми элементами и . По своим характеристикам она является более предпочтительной, чем предыдущая схема, и находит применение для нагрузок с .

Индуктивно-емкостные СУ подключаются к сети параллельно с несимметричной нагрузкой; они представляют собой комбинацию индуктивных и емкостных элементов. Наибольшее распространение получила схема Штейнметца, показанная на рис. 3.35. Векторная диаграмма, поясняющая работу устройства, приведена на этом же рисунке. Симметрирующее устройство Штейнметца наиболее эффективно при коэффициенте мощности нагрузки, равном единице. Поэтому при активно-индуктивной нагрузке параллельно ей подключается БК С2. Мощность реактора и БК С1 в этом случае выбирается из условия

. (15.1)

Рис. 15.2- Автотрансформаторная схема с регулируемым элементом



Рис. 15.3- Автотрансформаторная схема с регулирующими элементами и

Рисунок 15.4- Схема Штейнметца и векторная диаграмма для этой схемы

Симметрирующее устройство Штейнметца обеспечивает симметрирование и активно-индуктивной нагрузки (без конденсаторов С2). Однако в этом случае коэффициент мощности снижается до значений, меньших коэффициента мощности нагрузки. В рассматриваемом случае мощность симметрирующих элементов выбирается из условия

(15.2)

где - полная мощность однофазной нагрузки; - аргумент сопротивления нагрузки.

Симметрирование при неизменных значениях симметрирующих элементов обеспечивается только при одном значении мощности нагрузки. Если возможное изменение параметров нагрузки приводит к превышению допустимой несимметрии, возникает необходимость применения управляемых СУ. Однако применение управляемых СУ не всегда необходимо при переменной несимметричной нагрузке; нужно, чтобы несимметрия напряжений не выходила за допустимый предел с интегральной вероятностью 95 %. Для обоснования возможности применения неуправляемых СУ в сетях с переменной нагрузкой необходимо проведение статистических исследований параметров несимметрии.

Управляемые СУ могут иметь как непрерывное (аналоговое), так и ступенчатое (дискретное) управление.

Батареи конденсаторов дискретных СУ набираются из нескольких групп, одна из которых подключена постоянно, а другие - переменно. Переключения осуществляются с помощью контакторов или тиристорных ключей. В настоящее время находит применение плавное регулирование емкостных элементов путем подключения параллельно конденсаторам реакторов, управляемых тиристорами. Недостатками этого способа управления являются использование дополнительных реакторов, что приводит к увеличению потерь энергии и установленной мощности оборудования СУ, а также генерирование ВГ тока тиристорами.

При дискретном регулировании индуктивный элемент состоит из нескольких элементарных реакторов или представляет собой один реактор с отпайками. Плавное регулирование индуктивного элемента может быть обеспечено за счет включения реактора через управляемые тиристоры подмагничивания магнитопровода (при его наличии), изменения немагнитных зазоров в магнитопроводе, а также с помощью скользящего контакта. В качестве примера на рис. 15.5 приведены два варианта управляемых СУ, основанных на схеме Штейнметца. Недостатком их является то, что суммарная полная мощность оборудования превосходит полную мощность нагрузки, СУ имеют ограниченный диапазон регулирования.

Рис. 15.5- Варианты управляемых СУ на основе схемы Штейнметца

Рис. 15.6- Схема симметрирования с использованием БК

Для симметрирования системы линейных напряжений при однофазных и двух- и трехфазных несимметричных нагрузках широко применяются БК с неодинаковыми мощностями фаз, используемые для КРМ в сети (рис. 3.37).

Весьма важным обстоятельством является многофункциональный характер емкостных СУ, БК которых являются источником РМ.

На практике полное симметрирование, т.е. когда оказывается технически и экономически нецелесообразным; используется частичное симметрирование, когда с помощью косвенной компенсации или применения СУ обеспечивается значение .

Условие частичного симметрирования можно представить в виде

где - остаточный ток обратной последовательности, обусловленный несимметричной нагрузкой и СУ; - допустимое напряжение обратной последовательности.

В случае полного симметрирования, очевидно, должно быть

,

где - комплексы токов обратной последовательности СУ и несимметричной нагрузки.

I.

II.

III.

Рисунок 15.7- Диаграмма распределения аргумента тока обратной последовательности

Суммарная мощность емкостного СУ выбирается из условия КРМ. Она перераспределяется по фазам СУ таким образом, чтобы ток обратной последовательности несимметричной БК компенсировал ток обратной последовательности несимметричной нагрузки. В общем случае симметрирование может быть осуществлено с помощью двух емкостных элементов, подключенных на равные линейные напряжения (в зависимости от фазы тока обратной последовательности). Симметрирующие возможности емкостного двухэлементного СУ существенно зависят от характера несимметричной нагрузки.

Для определения параметров БК емкостного СУ разработаны аналитические и графические методы. Алгоритм аналитического метода состоит в следующем.

Мощность БК и подключение их между теми или иными фазами определяются в зависимости от аргумента вектора эквивалентного тока обратной последовательности в I, II или III областях (рис. 3.38).

Суммарная мощность БК при полном симметрировании (в предположении, что они работают при номинальном напряжении) определяется по выражениям:

I.;

II.;

III ..

Если РМ, необходимая для компенсации в узле сети, Q_КРМ > Q, в расчете вместо Q_КРМ принимается Q.

Отношения мощностей , , и их подключение на линейные напряжения в I, II и III областях

I. ;

II. ;

III. .

При неполном симметрировании суммарная мощность БК

,

где - фактическое значение коэффициента несимметрии (до подключения СУ); - нормируемое значение этого коэффициента.

В СЭС предприятий, питающих электротехнологические установки (печи электрошлакового переплава, индукционные печи и др.), технологический процесс характеризуется частым изменением числа включенных агрегатов и их загрузки. Это приводит к изменениям как по значению, так и по фазе. Следует отметить, что электротехнологические установки являются достаточно мощными потребителями РМ. Для СЭС таких производств в ИЭД НАН Украины разработаны симметрокомпенсирующие устройства многоцелевого назначения, предназначенные для симметрирования напряжений сети и КРМ. Эти устройства состоят из дискретно регулируемых емкостей, схемы которых представлены на рис. 15.8.

Симметрирование режима сети (автоматическое или ручное) основывается на оценке несимметрии с помощью аргумента пульсирующей мощности трехфазной системы на основной частоте :

,

где и - симметричные составляющие напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Реализация совместных условий КРМ и симметрирования позволяет в значительной мере снизить установленную мощность регулируемых компенсирующих устройств в СЭС предприятий.



Рисунок 15.8- Схема симметрокомпенсирующего устройства

Оригинальным техническим решением является СУ на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, состоящих из трехфазного статора и заторможенного ротора. На роторе имеется однофазная обмотка, к которой подключены постоянные реактивные элементы (БК или реактор). Устройство представляет собой несимметричную нагрузку, фаза тока обратной последовательности которой может изменяться в диапазоне 0-2 при повороте ротора. Комбинация из двух таких СУ позволяет регулировать модуль и фазу тока обратной последовательности путем поворота на определенные углы их роторов.

На рис. 15.9 приведены схемы СУ с вращающимся магнитным полем типа L-L и L-C. Закон управления СУ типа L-C:

(15.3)

. (15.4)

Здесь - углы поворота роторов; - мощности реактивных элементов; - аргумент линейного тока обратной последовательности несимметричной нагрузки .

Симметрирование системы напряжений может быть осуществлено также путем введения системы добавочных ЭДС. Суть этого способа симметрирования заключается в том, что между источником и приемником в разрыв линейных проводов включаются дополнительные источники ЭДС, образующие систему обратной последовательности. В результате суммирования ЭДС основного и добавочного источников их симметричные составляющие обратной последовательности взаимно компенсируются, напряжение на приемнике становится симметричным. На практике в качестве источника добавочной системы ЭДС могут быть использованы синхронный генератор, трансформаторы последовательного регулирования, трансформатор с пофазным регулированием коэффициента трансформации.

a) б)

Рисунок 15.9- Схемы СУ типа L-L (a) и L-C (б) с вращающимся магнитным полем

Если система подведенных к трансформатору напряжений симметрична, то сдвиг по фазе между вторичными фазными напряжениями , и составит 2/3 независимо от коэффициента трансформации в каждой из фаз. При равных коэффициентах трансформации система вторичных напряжений симметрична. Если, например, уменьшить коэффициент трансформации в фазе, то напряжение возрастет до значения , что приведет к искажению системы линейных напряжений, т.е. к появлению составляющей обратной последовательности. С помощью этого СУ возможно симметрировать режимы работы в сетях с несимметричными ЭП, а также входные напряжения.

Пример. Однофазные электрические печи мощностью 3 и 5 МВ^.А при подключены к сети 6 кВ на линейные напряжения и . На шинах 6 кВ = 180 МВ^.А.

Определить значение , и, в случае необходимости, рассчитать параметры СУ.

Решение. Ток обратной последовательности несиммет-ричной нагрузки

.

Коэффициент обратной последовательности

.

Мощность БК для полного устранения несимметрии

Распределение БК:

.

Проверка правильности решения:

ток обратной последовательности СУ

начальная фаза тока



что подтверждает правильность выбора параметров СУ.

16. Измерения уровней показателей качества

Измерение отклонений напряжения

Для реализации аппаратурного контроля КЭ одним из основных является вопрос о требованиях к измерительным приборам и, в первую очередь, о допустимых погрешностях измерения ПКЭ, поскольку массогабаритные, стоимостные и другие характеристики приборов в большой мере зависят от их точности. Вопрос о допустимых погрешностях измерения ПКЭ тесно связан с техническими и экономическими аспектами проблемы КЭ. При отклонениях, несимметрии и несинусоидальности напряжения экономический ущерб определяется в основном квадратом отклонения соответствующего ПКЭ от оптимального или нулевого значения. Функция экономического ущерба малочувствительна, т.е. изменяется в весьма небольших пределах при изменении ПКЭ в диапазоне значений, допустимых стандартами, но весьма чувствительна в области значений ПКЭ, бoльших допустимых. Например, при абсолютной погрешности определения K_2U 3 % и K_U до 15 % ошибка в оценке ущерба будет составлять 500-1200 дол. в год. В масштабе годовой деятельности предприятия этот ущерб весьма невелик. Следовательно, с точки зрения оценки ущербов, обусловленных пониженным КЭ, высокая точность измерений соответствующих ПКЭ не требуется.

Можно сделать вывод и о том, что высокая - лабораторного класса - точность измерений ПКЭ для обеспечения нормальной работы СЭС не требуется. Пределы допустимых погрешностей измерений ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 приведены в табл. 16.1.

Таблица 16.1- Погрешности измерений ПКЭ

Показатель КЭ	Пределы допустимых погрешностей измерений показателя КЭ
	абсолютный	относительный
Установившееся отклонение напряжения	0,5	-
Размах изменения напряжения	-	8
Доза фликера, отн.ед.: кратковременная длительная	- - -	5 5
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения, %	-	10
Коэффициент -й гармонической составляющей напряжения, %	0,05 при КU()<1,0	0,05 при КU()>1,0
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, %	0,3	-
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, %	0,5	-
Отклонение частоты	0,03	-
Длительность ПН, мс	10	-
Импульсное напряжение, кВ	-	10
Коэффициент временного перенапряжения, отн. ед.	-	10

Это относится как к измерениям значений ПКЭ в условиях спокойной и практически неизменной нагрузки, так и к измерениям, связанным с оценкой интегральной вероятности появления допустимых значений величины. Приборы для исследования ПКЭ должны быть помехоустойчивыми в условиях вероятных отклонений неизмеряемых ПКЭ и обеспечивать возможность статистической обработки результатов измерений.

Для оценки ОН в электросетях предприятий со стабильными нагрузками можно использовать обычные щитовые вольтметры электромагнитной системы; наиболее удобно применять для этой цели цифровые вольтметры. Такие приборы имеют погрешность измерения не более 0,25 %, позволяют автоматизировать измерения и обеспечивать регистрацию результатов на устройствах сохранения информации. Функциональная система цифрового вольтметра представлена на рис. 16.1. Входное устройство 1 включает в себя выпрямитель, на выходе которого напряжение прямо пропорционально измеряемому. Это напряжение с помощью сравнивающего устройства 2 сопоставляется с напряжением генератора пилообразного напряжения 4; при переходе пилообразного напряжения через нуль запускается электронный счетчик импульсов 5; импульсы генерируются кварцевым генератором 3. При равенстве выпрямленного и пилообразного напряжений счетчик импульсов останавливается и происходит считывание импульсов; число импульсов пропорционально измеряемому напряжению при индикации последнего устройством цифрового отсчета 6.

Помимо описанного способа аналого-цифрового преобразования в цифровых вольтметрах используются и другие. Применение цифровых вольтметров практически исключает субъективные ошибки при измерениях и обеспечивает облегчение и ускорение процесса измерений. Для контроля ОН могут быть рекомендованы самопишущие приборы, которые нормально работают в диапазоне частот 45-1000 Гц.

С помощью самопишущих приборов может быть внедрен статистический контроль ОН; для этого необходима специальная обработка регистрограмм. Такой контроль может вестись и по показаниям стрелочных приборов, однако точность его невысока.

Рисунок 16.1-. Структурная схема цифрового вольтметра

Обработку регистрограмм рекомендуется производить в следующем порядке.

1. Разбивают регистрограммы на интервалы равной ширины. Число интервалов (на каждый час регистрации) рекомендуется принимать при построении гистограмм в характерных режимах суточной нагрузки равным 24 (при скорости движения ленты 60 мм/ч) и 60 (при скорости 180 мм/ч). Соответственно при построении гистограмм для суток в целом рекомендуемое число интервалов на каждый час регистрации составит 12 и 36.

2. Определяют напряжение на границах каждого интервала.

3. Подсчитывают отклонения , %:

,

где - напряжение на границе интервала, В; - номинальное напряжение, В.

4. Выбирают число интервалов группирования таким образом, чтобы в большинство интервалов попало более четырех-пяти измерений. Ширина интервала должна быть несколько больше, чем

,

где - соответственно верхний и нижний пределы ОН, измеренные в контрольном пункте, %; - число интервалов группирования.

При этом должно выполняться условие

,

где - ширина интервала; - среднеквадратическое отклонение, %.

В противном случае следует увеличить число интервалов группирования.

5. Определяют границы и середину интервалов группирования, затем подсчитывают суммарное число ОН в одном интервале.

6. Определяют вероятность попадания ОН в каждый интервал и строят гистограмму отклонений напряжения.

7. Определяют математическое ожидание и стандарт ОН.

Измерение колебаний напряжения. Измеритель уровня мигания ламп (будем называть его фликерметром) может использоваться при любом законе изменения напряжения. По существу с его помощью измеряется степень мигания светового потока ламп накаливания.

Целью измерительной оценки этого явления является количественное описание уровня человеческого раздражения, вызванного изменяющимся световым потоком. В этом процессе можно выделить три основных элемента:

источник КН;

глаз человека, являющийся элементом восприятия;

мозг человека с его нелинейными (в функции частоты)

реакциями.

Для измерительной оценки доступна только первая составляющая; остальные должны быть смоделированы. Только в том случае, когда будет найдено правильное соответствие между изменением напряжения различной формы и уровнем человеческого раздражения, моделирование этого сложного устройства будет корректным.

Все эти факты, включая составляющие процесса физиологического восприятия, должны быть учтены при реализации прибора для измерения миганий света - фликерметра.

С помощью этого прибора появляется возможность оценивать мигания света (в соответствии с реакцией наблюдателя) независимо от значения КН и источников возмущения.

На рис. 16.2 представлена упрощенная структурная схема фликерметра. В его структуре можно выделить пять отдельных блоков.

Рисунок 16.2 Упрощенная структурная схема фликерметра

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.

Это позволяет отслеживать свободные изменения напряжения, вызываемые, например, процессами регулирования напряжения со стороны питающей системы.

Выходное устройство блока 1 обеспечивает передачу входного сигнала в блок 2. Он также включает в себя генератор сигнала для калибровки прибора. Блоки 2, 3 и 4 представляют собой модели ламп накаливания, глаз и мозга человека.

Блок 2 (демодулятор). Входным сигналом для этого устройства является мгновенное изменение напряжения, которое может быть интерпретировано как сигнал модуляции, наложенный на основную частоту 50 Гц. В связи с этим возникает необходимость определения сигнала модуляции. Для этой цели служит демодулятор в структурной схеме измерителя. Далее сигнал возводится в квадрат. Применение квадратичного демодулятора объясняется простотой его технологической реализации и удовлетворительными результатами измерений.

Блок 3. Этот блок включает в себя несколько фильтров. Первый фильтр задерживает постоянную составляющую и другие нежелательные составляющие выходного сигнала демодулятора. Частотная характеристика устройства: лампа накаливания - глаз человека была воссоздана с помощью широкополосного фильтра 4-го порядка, который представлен следующей зависимостью и частотной характеристикой, приведенной на рис. 16.3:

, (16.1)

где k = 1,74802; = 24,05981; = 29,15494; = =22,27979; = 21,22535; = 221,9.

Рисунок 16.3-Частотная характеристика широкополосного фильтра 4-го порядка

Это выражение и вид частотной характеристики справедливы исключительно для ламп накаливания напряжением 230 В и мощностью 60 Вт. Для других типов источников света (например, флюорисцентных ламп) следует использовать другое выражение.

Блок 4. Этот блок представляет собой модель нелинейной реакции мозга человека на колебания светового потока. Эта модель включает взвешивающий фильтр, квадратор и обеспечивает определение оптимального сигнала, реализуемого с помощью фильтра низких частот первого рода с постоянной времени около 300 мс. Сигнал на выходе блока 4 представляет собой мгновенный уровень КН. Фактически он преобразуется в величину, которая соответствует порогу восприятия мигания света. Если этот сигнал больше 1, это означает, что интенсивность мигания превосходит уровень восприятия и может быть даже нетерпимой.

Блок 5. Данный блок выполняет статистическую оценку интенсивности мигания. Из анализа механизма восприятия следует, что мигание должно оцениваться в течение определенного периода времени. Кроме того, в связи со случайным характером КН следует учитывать, что во время наблюдения мгновенное значение уровня фликера может изменяться. Отсюда возникает необходимость статистической оценки и контроля не только максимального уровня, но и степени превышения заданного уровня за время наблюдений. Статистический анализ требует также определения корреляции между учитываемыми значениями определенного уровня фликера и их длительностью.

В связи с этим на выходе сигнала блока 4 получаются два статистических значения: кратковременный и длительный фликеры ( и ).

Значение P_st = 1 соответствует порогу различаемой границы мигания, который не должен быть превзойден, чтобы не вызвать дискомфорт у наблюдателя.

17. Измерение несинусоидальности и несимметрии напряжений

В настоящее время получают применение комплексные (агрегатные) средства измерения нескольких ПКЭ (ВГ, K_U, 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 K_U получаются при помощи набора мгновенных значений напряжений и токов, измеренных в определенные моменты времени (фазы сигнала).

Измеритель состоит из трех основных функциональных частей: устройства измерения мгновенных значений токов и напряжения, работающего согласно определенным алгоритмам измерения; устройства обработки результатов вычисления, работающего по заданным алгоритмам вычисления ПКЭ, например, несинусоидальности; средства отображения и хранения полученных результатов.

Структурная схема измерителя КЭ на базе ПЭВМ представлена на рис. 17.1].

Рисунок 17.1- Структурная схема измерителя КЭ на базе ПЭВМ

Устройство сопряжения напряжений подает фазные напряжения, поступающие с выходов измерительных трансформаторов, на вход аналогового мультиплексора. Это устройство осуществляет гальваническую развязку, нормирование уровня сигнала, а также отключение входных сигналов от измерительного тракта при отключении прибора (защита входных цепей). Аналогичные функции выполняет устройство сопряжения токов. Дополнительно в состав устройства входит преобразователь тока в напряжение. Преобразователь имеет элементы защиты, так как во время аварий входной ток может многократно превышать номинальное значение.

Блок управления дискретизацией управляет процессом дискретизации и реализует, по сути, приведенный ниже алгоритм измерения. Компаратор, отслеживая моменты перехода через нуль аналогового сигнала напряжения фазы А, запускает и останавливает счетчики таймера, что позволяет, зная частоту задающего генератора, вычислять значение периода сигнала и его частоту. После измерения периода значения, находящиеся в счетчиках таймера, делятся на количество точек дискретизации и, таким образом, определяется интервал считывания мгновенных значений.

Полученные наборы мгновенных значений подвергаются обработке в ПЭВМ и отображаются на мониторе в графическом и цифровом представлениях, а также могут быть выведены на принтер.

При измерении несинусоидальности в приборе реализуется алгоритм расчета K_U.

1. Расчет действующего значения напряжения:

, (17.1)

где т - число измерений за период; u(t_i) - измеренное мгновенное значение напряжения, соответствующее моменту времени t_i.

2. Расчет квадратурных составляющих напряжения:

; . (17.2)

3. Расчет действующего значения напряжения первой гармоники:

. (17.3)

4. Расчет коэффициента несинусоидальности напряжения:

. (17.4)

Алгоритм расчета коэффициента -й гармонической составляющей состоит в следующем:

1. Расчет квадратурных составляющих -й гармоники

; . (17.5)

2. Расчет действующего значения -й гармоники:

. (17.6)

3. Расчет квадратурных составляющих первой гармоники:

; . (17.7)

4. Расчет действующих значений первой гармоники:

. (17.8)

5. Расчет коэффициента -й гармоники:

(17.9)

При измерении несимметрии используется следующий алгоритм:

1. Расчет квадратурных составляющих напряжений фаз А, В, С:

; (17.10)

(17.11)

; (17.12)

(17.13)

; (17.14)

. (17.15)

2. Расчет квадратурных составляющих напряжения обратной последовательности:

; . (17.16)

3. Расчет напряжения обратной последовательности:

. (17.17)

4. Расчет коэффициента обратной последовательности:

.

Измерение коэффициента нулевой последовательности производится по аналогичному алгоритму. В выражениях (17.10)-(17.14) угол сдвига фаз равен 0.

ГОСТ 131109-97 рекомендует определять напряжения обратной последовательности по действующим значениям линейных напряжений на частоте основной гармоники:

При определении напряжения нулевой последовательности требуется также измерение двух фазных напряжений:

Коэффициент нулевой последовательности определяется в соответствии с выражением:

.

Эксплуатационный контроль ПКЭ

Контроль ПКЭ производится с целью проверки соответствия значений показателей нормам соответствующих стандартов. При несоответствии ПКЭ нормативным требованиям на основании результатов контроля устанавливаются причины несоответствия и разрабатываются мероприятия, направленные на нормализацию параметров качества. Результаты контроля позволяют также проверить соответствие проектных расчетов фактическим данным эксплуатации, рассчитать параметры технических средств, предназначенных для улучшения ПКЭ, а также разработать необходимые эксплуатационные мероприятия режимного характера.

Контроль ПКЭ, как и других режимных параметров, осуществляется постоянно, периодически или эпизодически. Основные положения по контролю и анализу КЭ устанавливаются стандартами на КЭ.

Для производства измерений используются специальные приборы, определяющие статистические характеристики ПКЭ за период изменения. В настоящее время промышленные предприятия стран СНГ в недостаточной мере обеспечены такими приборами. Это обстоятельство в значительной мере усложняет решение задачи повышения КЭ на предприятиях.

Контроль КЭ производят на границе раздела балансовой принадлежности электрических сетей энергоснабжающей организации и потребителя или в других пунктах сети, принятых по согласованию между энергоснабжающей организацией и потребителем, в эксплуатационных режимах, соответствующих нормальным и длительным ремонтным схемам электроснабжения.

Периодичность контроля КЭ должна составлять не менее 2-х раз в год. При значительном сезонном изменении нагрузок контроль рекомендуется проводить ежеквартально. Эпизодический контроль осуществляется в случае изменения схемы электрических сетей, параметров сети, значения и характера нагрузок потребителей или требований потребителей к КЭ.

В качестве пунктов контроля ОН выбирают шины центра питания и границы раздела электрических сетей электроснабжающей организации с характерными потребителями. Длительность измерений при контроле ОН должна составлять: для предприятий с пятидневной рабочей неделей и узлов ЭЭС - не менее одних рабочих и одних нерабочих суток; для предприятий с непрерывным производством - не менее одних суток; во всех остальных случаях - не менее двух рабочих и одних нерабочих суток. При наличии телемеханизированного диспетчерского пункта нужно реализовать постоянное телеизмерение напряжений на контролируемых пунктах.

При нестабильном графике нагрузки необходим эпизодический контроль ОН на шинах наиболее ответственных потребителей.

В качестве пунктов контроля КН выбираются крупные подстанции предприятий; измерения производятся на шинах высшего напряжения ГПП и ПГВ при подключении новых резкопеременных нагрузок, а также изменении схемы коммутации или технологических режимов потребителей с резкопеременной нагрузкой (например, при изменении температурного режима прокатки; при введении новых технологических карт и т.д.). Рекомендуется следующая продолжительность измерений:

в электрических сетях с ДСП - 30 мин в период наибольших нагрузок (период расплавления);

в электрических сетях с установками электродуговой и контактной сварки - 30 мин в наиболее характерный период;

в электрических сетях с обжимными прокатными станами - 10-12 циклов прокатки;

в электрических сетях жилых и общественных зданий - 1 ч в период возникновения КН;

в остальных случаях - 1 сут.

ГОСТ 13109-97 рекомендует устанавливать общую продолжительность измерений всех ПКЭ за исключением ПН, импульсов напряжения и временных перенапряжений 7 сут. с обязательным включением в этот период характерных рабочих и выходных дней.

Для контроля качества электрической энергии на предприятиях используется измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск», который предназначен для измерения таких ПКЭ, как отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности и коэффициент -й гармонической составляющей напряжения, коэффициент несимметрии напряжений, с абсолютной погрешностью не более 0,2 единиц измеряемого значения. Прибор позволяет также строить гистограммы ПКЭ и получать значения относительного времени превышения нормального допускаемого Т₁ ,%, и предельного допускаемого Т₂ ,%, значений для каждого показателя, измеряемого за сутки. По данным гистограммы определяются математическое ожидание и дисперсия ПКЭ.

Оперативно контролировать основные ПКЭ в различных точках СЭС предприятия позволяют переносные многофункциональные программируемые приборы контроля КЭ ППКЭ-7-50 и ППКЭ-2-50. Прибор ППКЭ-1-50 предназначен для измерения отклонения частоты, отклонения напряжения, коэффициента несинусоидальности, коэффициентов ?-й гармонической составляющей напряжения, коэффициентов несимметрии напряжения, а ППКЭ-2-50 - для измерения длительности провалов напряжения, экстремальных значений провалов и перенапря-жений, амплитуды и длительности импульсов напряжения.

Житомирским ПО «Электроизмеритель» с 1985 г. выпускаются приборы, предназначенные для измерения отдельных ПКЭ, которые помимо цифровых индикаторов измеряемых величин имеют аналоговые выходы, позволяющие подключать к ним самописцы или специальное устройство по статистической обработке информации. В состав приборов входят: Ф4340 - измеритель установившихся отклонений напряжений прямой последовательности основной частоты и коэффициента несимметрии напряжений обратной последовательности; 43203 - измеритель установившегося отклонения напряжения; 43204 - измеритель напряжений и токов обратной и нулевой последовательности в трехфазной сети и узлов их сдвига; 43250 - измеритель коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентов гармонической составляющей напряжения; 43401 - измеритель статистических характеристик сигналов, поступающих с четырех вышеперечисленных приборов. С помощью прибора можно получить гистограмму ПКЭ по 16-ти интервалам, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение показателей с интервалом дискретизации измерения - 0,2 с и продолжительностью непрерывной работы - до 3-х суток.

Анализатор качества электрической энергии ЭРИС-КЭ [48], разработанный в Московском энергетическом институте, представляет собой энергетическую расчетно-информационную систему для контроля качества и учета электроэнергии. Анализатор является специализированным компьютером и позволяет измерять не только несимметрию, несинусоидальность напряжения, отклонения частоты, но также и кратковременную и длительную дозы фликера, коэффициент временного перенапряжения, импульсные напряжения. Кроме контроля ПКЭ прибор ЭРИС-КЭ также измеряет полную, активную и реактивную мощности по каждой гармонике, а также мощности, обусловленные токами обратной и нулевой последовательностей, что позволяет использовать его при определении виновника искажений.

Работа анализатора параметров режима электрической сети DRANETZ РР1-8000 производства США основана на комплексной оценке параметров режима электрической сети с применением микропроцессорной обработки сигнала. Прибор позволяет регистрировать параметры установившихся и переходных режимов электрической сети: коэффициент мощности, частоту сети, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и тока, коэффициент гармонической составляющей напряжения и тока до 50-й включительно. Прибором также отображаются в графическом виде векторные диаграммы, осциллограммы и спектральный состав напряжений и токов.

Литература

1. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях, Энергоатомиздат, 2000

2. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях, Энергоатомиздат, 2005

3. Жежеленко И.В., Высшие гармоники в системах электроснабжния предприятий, Энергоатомиздат, 2004

Размещено на Allbest.ru