5.20. Для коррекции электроэнергии в искажающих системах

Нагрузки существенно влияют на режимы электрических сетей и энергосистемы в целом. Качество электрической энергии в подавляющих случаях зависит от режимов и характера потребителей. Так, например, нелинейные нагрузки вызывают искажения формы кривой напряжения и тока. К ним, в первую очередь, относятся вентильные электроприводы, дуговые электропечи, электротяговые нагрузки и др.

Довольно значительное число нагрузок носит резко переменный характер. Мощность, потребляемая нагрузками, не является постоянной во времени. Они вызывают колебания напряжения и тока, т. е. создают модулированные по амплитуде и фазе режимы напряжений и токов.

Некоторые нагрузки создают несимметрию трехфазных систем. К ним относятся осветительная нагрузка, однофазные тяговые нагрузки, иногда возникают несимметричные режимы в системе электроснабжения трехфазных дугоплавильных печей. Такие нагрузки обладают общим свойством: потребляя электроэнергию из энергосистемы, они частично преобразуют её и передают обратно в сеть. Энергия, поступающая в сеть от генератора, имеет высокое качество: форма кривых напряжения синусоидальна, трехфазные системы напряжений симметричны. Этот поток энергии, распределяющийся по сети и потребляющийся нагрузками, называют основным потоком, а его мощность - мощностью основного потока..

Та часть энергии, которая преобразуется искажающими нагрузками и передается в сеть, определяет искажение и приводит к ухудшению качества электроэнергии. Этот поток и его мощность, распространяющиеся от искажающих нагрузок по энергосистеме, называют вторичными потоком энергии и мощностью. Но, если генератором генерируется напряжение синусоидальной формы, а мощность генератора определяется только первой гармоникой, то источниками высших гармоник являются нелинейные и периодические нагрузки.

Полная мощность в неискажающей системе оценивается по выражению

Pн=3UI=(Pа2+Pр2)1/2,

(5.20.1)

а в искажающей системе – по выражению

Pи=[Pа2+Pр2+Pп2+(3n+1)Pс2+Pи2]1/2,

(5.20.2)

где U – напряжение и I – ток в системе, P_а – активная и P_р – реактивная составляющие энергии, потребляемой из системы, P_д – действительная полная мощность искажающей системы, P_п – мощность пульсаций, n – коэффициент, учитывающий сопротивление фазных проводов системы, P_с – скрытая мощность, а P_и – мощность искажения.

В уравнении (5.20.2) P_п, P_с и P_и являются техническими параметрами, сопровождающими передачу P_а, приводящие к росту потерь и снижению пропускной способности системы. Однако влияние P_п, P_с и P_и на характер потребления электрической энергии и её качество не всегда учитывается на практике.

На качество электроэнергии неблагоприятно влияют несимметрия и неуравновешенность системы токов, характеризуемые коэффициентами несимметрии и неуравновешенности токов, а также высшие гармоники системы токов. И неравномерность потребления электроэнергии.

При симметричной нагрузке (сопротивления в фазах R_А=R_B=R_C) потребляется активная мощность (5.20.1), передача этой мощности сопровождается потерями в фазных сопротивлениях системы (I_А=I_B=I_C, в нейтрали I_Н=0), оцениваемых по выражению

ΔPсим=3RzI2,

(5.20.3)

а при несимметричной нагрузке сопротивления в фазах R_А≠R_B≠R_C, тогда I_А≠I_B≠I_C≠I_Н≠0 и потери мощности определяются по

ΔPн.сим=RAIA2+RBIB2+RCIC2+RНIН2> ΔPсим,

(5.20.4)

хотя значения P_а=const и cos φ=1. Причиной увеличения потерь при несимметрии нагрузки является наличие P_п и P_с, сопровождающих передачу P_а.

Влияние высших гармоник, на примере однофазной системы с тиристорами, соединенными по схеме встречно-параллельного включения, отражается при управлении нагрузкой, с синусоидальным напряжением

u=Um sin ωt

(5.20.5)

описывается действующим током в нагрузке по выражению

I_н²=T^-1 U_нmR^-1 sin² ωtdt+ U_нmR^-1 sin² ωtdt, (5.20.6)

тогда

P_и=(U_m² I_i²)^1/2/ (5.20.7)

Передача P_и приводит к увеличению потерь в сети, а потому является вторым неблагоприятным следствием наличия высших гармоник.

Значение P_д оценивается по выражению

P_д=(P_а+P_р+P_и)^1/2. (5.20.8)

Характер потребления активной W_а=P_аT и реактивной W_р=P_рT энергии на конечном интервале времени T при неравномерности потребления может быть различным. Если потребление энергии осуществляется при постоянном значении тока I_i, а сопротивления сети равны 2R_z, то потери энергии на рассматриваемом интервале времени составят

ΔW_а=2R_zI_i²T. (5.20.9)

Отсюда вытекают причины недокала ламп в части населенных пунктов и их перегорания в условиях пиковых всплесков напряжения в сети.

С экономической точки зрения наиболее важным показателем характера потребления электрической энергии могут служить потери в сопротивлениях системы, возникающие при передаче энергии потребителю.

Если текущее значение потерь мощности в сопротивлениях системы при данной передаваемой активной мощности для неискажающих систем определяется по выражению

ΔP₁≈1/cos²φ, (5.20.10)

то в искажающей системе с несимметричными и несинусоидальными токами потери в тех же сопротивлениях системы при передаче той же активной мощности определяются по выражению

ΔP₂≈1/k², (5.20.11)

где k – действительный коэффициент мощности, а ΔP₁<<ΔP₂.

При этом на долю реактивной мощности приходится

ΔP_2р=P_р²/P_а², (5.20.12)

на долю мощности пульсаций приходится

ΔP_2п=P_п²/P_а², (5.20.13)

на долю скрытой мощности

ΔP_2с=(3n+1)P_с²/P_а² (5.20.14)

и на долю мощности искажения

ΔP_2и=P_и²/P_а². (5.20.15)

Радикальным средством сокращения несимметрии в энергосистемах может стать способ и устройство для защиты трехфазной нагрузки от несимметрии фазных токов (рис. 5.20.1 и рис. 5.20.2).

Схема устройства для защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током приведена на рис. 5.20.1, а диаграммы токов в нагрузке, поясняющие принцип оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, приведены на рис. 5.20.2.

Рис. 5.20.1

Рис. 5.20.2

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током содержит магнитный пускатель (МП), соединенный входами с источником питания, нагрузку (Н) и реле защитного отключения (РЗО), соединенное входами (обмотками) пофазно с выходами МП, выходами (обмотками) – пофазно со входами Н, а нормально замкнутыми контактами – последовательно с обмоткой МП. РЗО содержит соленоид из трех идентичных обмоток и нормально замкнутые контакты, управляемые магнитным полем соленоида. Входы соленоида обмоток РЗО пофазно соединены с выходами МП, выходы РЗО соединены пофазно со входами Н, а нормально замкнутые контакты РЗО соединены последовательно с обмоткой МП.

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током работает следующим образом. Нормально замкнутые контакты РЗО обеспечивают гальваническую связь обмотки МП через нормально замкнутые контакты его кнопки «Стоп» с источником питания. При нажатии кнопки «Пуск» контакты МП, нормально разомкнутые, замыкаются и Н, через МП (через контакты) и РЗО (через обмотки), соединяется с источником питания. В Н, при симметричности её фазных сопротивлений, протекают равные по модулю фазные токи со сдвигом по фазе на 120º, а асимметрия фазных токов не выходит за пределы поля допуска (|Δ _ф=Σ _ф|<|Δ _{ф доп}|), тогда напряженность магнитного поля в соленоиде РЗО – недостаточна для размыкания контактов РЗО и обесточивания обмотки соленоида МП. При нарушении симметрии фазных токов, т. е. при | _фa|=| _фb|≠| _фc|, в момент выхода асимметрии за поле допуска (при |Δ _ф|>|Δ _{ф доп}|), по причинам неравенства модулей фазных токов (| _фa|≠| _фb|≠| _фc|), неравенства фазных сопротивлений нагрузки, неравенства сопротивлений между входом фазы Н и корпусом Н и/или землёй и т. д., В обмотках РЗО протекают несимметричные токи, напряженность магнитного поля в соленоида РЗО достигает уровня, достаточного для срабатывания РЗО, при этом его нормально замкнутые контакты размыкаются, обмотка МП обесточивается, контакты МП размыкаются, а Н автоматически отключается от питающей сети (обесточивается). Нарушение симметричности фазных токов Н, т. е. токов протекающих через соленоид РЗО, независимо от причины её вызвавшей, приводит к обесточиванию Н, а, следовательно, и к её защите, равно как и к защите питающей сети от короткого замыкания, обрыва фазы, утечки на землю, а при достаточной чувствительности РЗО – и к защите человека от поражения электрическим током.

Это устройство обеспечивает: инерционность защитного отключения трехфазной нагрузки (с нейтралью или без таковой) не превышает 0,2 с при модуле асимметрии фазных токов |Δ _ф|≤20÷40 мА, что даже при снижении сопротивления изоляции любой из фаз на корпус обеспечивает защиту нагрузки (электропривода) от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током в 30 мА/с и более, при допуске (в шахтной угледобыче) в 100–150 мА/с.

Достоинства устройства защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током состоят в автоматическом срабатывании защиты при минимизации аппаратурной избыточности и инерционности отключения нагрузки в случае выхода асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска, и, как следствие, в повышении надежности в работе. Так, при разнице тока в одной из фазных обмоток реле защитного отключения на десятки миллиампер, нагрузка с задержкой не более 0,2 с. отключается (обесточивается), что позволяет защитить нагрузку от перекоса фазных токов, при нарушении асимметрии сопротивления фазных обмоток нагрузки и утечках тока на корпус оборудования, даже при появлении тока утечки через цепь с сопротивлением в единицы и десятки тысяч Ом, а, следовательно, – защитить человека от токов в десятки мА/с, что в шахтных условиях, в условиях повышенной влажности, обеспечивает защиту человека от поражения током.