Влияние несинусоидальности напряжений на потери в электрических сетях

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт - Энергетический

Направление - Электроэнергетика и электротехника

Кафедра - Электрических сетей и электротехники

Влияние несинусосидальности напряжений на потери в электрических сетях

Выполнил студент гр.5А3Д          ________   _______ А.С. Овчиников

Проверил acc. кафедры ЭЭС ________ _______Б.К. Мамашаев

Томск - 2016

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Электрические сети

Электрические сети переменного и постоянного тока

Синусоидальный ток и напряжение

Несинусоидальность напряжения

Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии.

Коэффициент искажения напряжения

Снижение несинусоидальности напряжений и токов

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

В нашем мире на каждом шагу мы встречаем линии электропередач, которые словно паутина окутывают наши города, неся свет и тепло в наши дома.

Электрическая сеть - совокупность электроустановок, предназначенных для передачи и распределения электроэнергии от электростанции к потребителю.

И далеко не секрет, что стабильное и бесперебойное электроснабжение потребителя (жилых домов, производственных предприятий, больниц, детских садов и т.д.) - залог долговременной и надёжной работы электрооборудования. Ведь скачки

Именно поэтому тема моего реферата актуальна в сегодняшний день, ведь несинусоидальность напряжения влечёт за собой нестабильное состояние системы.

Электрические сети

Как было сказано раннее: Электрическая сеть - это совокупность электроустановок, предназначенных для передачи и распределения электроэнергии от электростанции к потребителю.

Структура электрической сети:

Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи, которые соединяют подстанции. Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными), иметь ответвления (отпайки). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы различных типов.

Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема, представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.

Рис 1. Схема замещения электрической сети

Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.

Существуют следующие классификации электрической сети:

По классу напряжения:

Напряжение при которых, работающие элементы ЭЭС обладают целесообразным технико-экономическими показателями называется Номинальным.

)Низкое (меньше 1кВ); (127В, 220В, 380В, 660В);

)Среднее (3-35кВ); (3,6,10,20,35кВ);

)Высокое (110,150,220кВ);

)Сверхвысокое (330,500,750кВ);

)Ультравысокое (1150кВ).

По охвату территории:

)Местные эл/сети - охватывают уровни НН, СН;

)Районные сети - уровень ВН;

)Региональные - уровень напр. свыше 330кВ.

По назначению:

)Распределительные - уровень 220кВ и ниже. Линии, питающие ряд ПС или вводы к эл.установкам;

)Системообразующие - осуществляют функцииции формирования ЭЭС путем объединения на параллельную работу их эл.станций, а также передачу э/э к ПС.

По характеру подключения ЭП:

)Промышленные - короткие линии, но большая плотность нагрузки;

)Сельские - большая территория, небольшая плотность нагрузки;

)Городские - сочетание коммунально-бытовых и промышленных потреблений, неравномерность графиков нагрузки.

По типу Тока:

)Переменное;

)Постоянное.

По конфигурации:

)Разомкнутые (радиальные или радиально-магистральные) питание от 1 ИП, питание потребитель получает только с одной стороны;

Рис 2. Радиальная схема Электрической сети

)Замкнутые (кольцевые) . Особенностью является электроснабжение не менее, чем с 2 сторон;

Рис 3. Кольцевая схема Электрической сети

По конструктивному исполнению:

)Воздушные;

)Кабельные(до 500кВ);

)Внутренние проводки (до 1кВ).

Рассмотрим подробнее классификация по типу Тока.

Электрические сети переменного и постоянного тока

Передача электроэнергии постоянным током

Электропередачи постоянного тока (ППТ) предназначаются для транспорта больших количеств электроэнергии на дальние расстояния, передачи мощности через большие водные пространства по кабельным линиям и для связи между энергосистемами.

Связь отдельных электрических систем друг с другом посредством ППТ делает допустимой несинхронную совместную работу их на различных частотах. Направление потока мощности по линии передачи легко изменить автоматическим переключением в устройствах сеточного управления вентилей. Токи короткого замыкания в приемной системе переменного тока не могут возрастать при передаче электроэнергии постоянным током за счет передающей системы и наоборот, так как инвертор не подпитывает точку короткого замыкания. ППТ используются также для связи энергосистем в тех случаях, когда требуется иметь независимое регулирование частоты в каждой из объединенных систем.

Кратности внутренних перенапряжений на воздушных линиях постоянного тока ниже, чем для линий переменного тока. Это значит, что при одинаковых уровнях изоляции для ППТ можно применить более высокое напряжение. Конструкция линии ППТ много проще, чем линии переменного тока, меньше количество гирлянд изоляторов, меньше затрата металла Важно отметить также, что предел передаваемой мощности ППТ не зависит от длины электропередачи, как для переменного тока, поскольку устойчивость работы ППТ определяется в основном преобразователями (инверторами).

В СССР впервые в мировой практике в 1965 г была осуществлена передача энергии постоянным током при напряжении ±400 кВ по воздушной биполярной линии Волгоград - Донбасс, связывающей Центральною и Южную энергосистемы Пропускная способность электропередачи 720 МВт, протяженность линии 473 км, ППТ Волгоград - Донбасс в настоящее время успешно работает в реверсивном режиме.

Обладая значительными достоинствами, передача электроэнергии постоянным током не лишена и крупных недостатков. Появляется необходимость в возведении сложных концевых подстанций с большим количеством преобразователей высокого напряжения и вспомогательной аппаратуры, меньшая надежность в работе из-за пропусков и обратных зажиганий в ртутных вентилях, требуется большая мощность установок для компенсации реактивной мощности преобразователей. Усложняется и удорожается промежуточный отбор мощности для электроснабжения районов, расположенных вдоль трассы линии передачи постоянного тока.

Рисунок 5. Генератор постоянного тока

электрический сеть напряжение несинусоидальность

В экономическом отношении применение электропередач постоянного тока с воздушными линиями оправдывается при транспорте больших количеств энергии на дальние расстояния. Экономическая граница между передачами переменного и постоянного тока по дальности транспорта энергии лежит в пределах 800-1000 км - для передач без промежуточного отбора мощности и 1000-1400 км - с промежуточным отбором 25-50% передаваемой мощности. Чем больше передаваемая мощность, тем меньше граничное расстояние выгодности передачи мощности постоянным током.

Передача электроэнергии переменным током

Переменный ток - это вынужденные электромагнитные колебания, вызываемые в электрической цепи источником переменного (чаще всего синусоидального) напряжения. Переменный ток присутствует всюду. Он течёт по проводам наших квартир, в промышленных электросетях, в высоковольтных линиях электропередач. И если вам нужен постоянный ток, чтобы зарядить аккумулятор телефона или ноутбука, вы используете специальный адаптер, выпрямляющий переменный ток из розетки. Почему переменный ток распространён так широко? Оказывается, он прост в получении и идеально приспособлен для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Широко применяются трёхфазные системы переменного тока. Генераторы и двигатели переменног тока по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. Переменный ток может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в Переменный ток другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели переменного тока (асинхронные и синхронные) для всех видов электроприводов, требующих плавного регулирования скорости. Также переменный ток широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.).

В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т. е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

Рисунок 6. Генератор переменного тока.

Синусоидальный ток и напряжение

По сравнению с другими токами синусоидальный имеет ряд преимуществ, которые позволяют экономично осуществляет производство, передачу, распределение и использование электрической энергии. В настоящее время производство и передача электрической энергии осуществляются при помощи трехфазного тока с частотой 50 Гц во всех странах мира кроме США и Японии (60Гц).

Различные области техники используют широкий диапазон частот синусоидального тока, в зависимости от технических потребностей. Так в авиации применяют синусоидальный ток с частотой 400 Гц, так как при этом снижаются габаритные размеры и вес оборудования. В электротермических установках используют диапазон частот от 500Гц до 50МГц. Частоты от долей Гц до 10ГГц применяют в радиотехнике.

Но с использованием синусоидального тока появляются электромагнитные процессы, оказывающие влияние на электрические цепи более сложного характера, чем в цепях постоянного тока. Появляется ряд особенностей в работе, например, конденсатора и катушки индуктивности. Переменный ток порождает в этих элементах переменные электрическое и магнитное поля. В результате возникают явление самоиндукции в дросселе и токи смещения в конденсаторе, которые оказывают существенное влияние на процессы в сложных электрических цепях.

Синусоидальная функция является периодической функцией времени, т.е. через равный промежуток времени, называемый периодом T, цикл колебаний повторяется.

(t) = i(t + T), где i - мгновенное значение тока

Периоду Т соответствует фазовый угол 2π или 360°. Длительность времени периода Т измеряется в секундах.

Величина обратная периоду Т называют частотой и измеряется в Гц (число периодов в секунду)

Также используется угловая частота ω =2πƒ (рад/сек) показывающая насколько фазовый угол синусоиды изменился за период, т.е. скорость изменения фазового угла синусоиды.

Аналитическое выражение мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения определяется тригонометрической функцией:

i(t) = Im sin(ωt + ψi)(t) = Um sin(ω t + ψu)(t) = Em sin(ωt + ψe),

где Im, Um, Em - амплитудные значения тока, напряжения и ЭДС;

(ωt + ψ) - аргумент синуса, который определяют фазовый угол синусоидальной функции в данный момент времени t;Ψ - начальная фаза синусоиды, при t = 0

По ГОСТу ƒ = 50 Гц, следовательно, ω = 2πƒ = 314 рад/сек.

Временную функцию можно представить в виде временной диаграммы, которая полностью описывает гармоническую функцию, т.е. дает представление о начальной фазе, амплитуде и периоде (частоте). Временные диаграммы можно наблюдать с помощью специального прибора - осциллографа.

Все сказанное выше относится и к функциям напряжения u(t) и ЭДС e(t)

При рассмотрении нескольких функций электрических величин одной частоты интересуются фазовыми соотношениями, называемой углом сдвига фаз.

Угол сдвига фаз φ двух функций определяют как разность их начальных фаз

φ = ψu - ψi

Если начальные фазы одинаковые, то φ = 0, тогда функции совпадают по фазе;

Если φ = ± π, то функции противоположны по фазе.

Т

Рисунок 7. Синусоидальный Ток и Напряжение

Несинусоидальность напряжения

В процессе выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии имеют место искажения формы синусоидальных токов и напряжений.

Источниками искажений являются синхронные генераторы электростанций, силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (при повышенном напряжении на их выводах) преобразовательные устройства переменного тока в постоянный и ЭП с нелинейными вольт-амперными характеристиками (или нелинейные нагрузки).

Искажения, создаваемые синхронными генераторами и силовыми трансформаторами, малы и не оказывают существенного влияния на систему электроснабжения и на работу ЭП. Главной причиной искажений являются вентильные преобразователи, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, ряд электронных технических средств (телевизионные приемники, ПЭВМ), газоразрядные лампы и др. Электронные приемники электроэнергии и газоразрядные лампы создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но общее количество таких ЭП велико.

Рисунок 8. Электродуговая печь, Газоразрядная лампа

Из курса математики известно, что любую несинусоидальную функцию ƒ(ωt) , удовлетворяющую условию Дирихле можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармоническими составляющими или гармониками. Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной или первой гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ую называют высшими гармониками.

Рисунок 9. Несинусоидальность напряжения

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения - частоту первой гармоники (f n=1 = 50 Гц, f n=2 = 100 Гц, f n=3 = 150 Гц ...).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Из-за вихревых токов и поверхностного эффекта потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора.

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потери, связанные с вихревыми токами в стали, и потери в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака.

В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.

Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности результатов их измерений.

Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.

Коэффициент искажения напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется такими показателями как:

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;

 - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.

Интервал осреднения количество N наблюдений должно быть равным не мене 9.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.

Таблица 1. Допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением Uном приведены в таблице 2.

Таблица 2. допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения

Снижение несинусоидальности напряжений и токов

В тех случаях, когда значения токов или напряжений высших гармоник больше допустимых необходимо снижать несинусоидальности напряжений и токов. Целесообразность мер по понижению несинусоидальности может быть также обусловлена и улучшением технико-экономических показателей работы элементов электрических сетей и ЭП. Снижение несинусоидальности можно осуществить одним из следующих способов:

.        Снижением уровня высших гармоник, генерируемых вентильными преобразователями;

.        Рациональным построением схемы электрической сети;

.        Использованием фильтров высших гармоник.

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых преобразователями, можно осуществить за счет увеличения числа фаз выпрямления в преобразовательных установках

(как правило, до 12) или применения специальных схем преобразователей и законов управлениями ими, обеспечивающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. сетевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения снижения несинусоидальности состоит, например, в питании нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформаторов либо подключении их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов.

Использование фильтров - распространенный способ снижения уровня высших гармоник. За рубежом распространено мнение, что установка фильтров более экономична, чем увеличение числа фаз преобразователей. Фильтр высших гармоник представляет собой последовательно соединенные реактор и БК .

Рисунок 10. Фильтр высших гармоник

Параметры реактора и БК подбирают так, чтобы их результирующее сопротивление для определеннойчастоты гармоники было равно нулю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр. Фильтр образует ветвь с очень малым сопротивлением, параллельную электрической сети, шунтирует ее на частоте заданной гармоники и соответственно снижает напряжение этой гармоники. Такие фильтры могут присоединяться как в местах генерации высших гармоник (на вентильных установках), так и в узлах сети с недопустимым уровнем гармоник тока или при резонансе токов.

Батареи конденсаторов, применяемые в фильтрах, целесообразно одновременно использовать для компенсации реактивной мощности. Экономически целесообразно применение таких многофункциональных устройств, предназначенных не только для снижения синусоидальности, но и для компенсации Q. Такие установки часто называют фильтрокомпенсирующими (ФКУ).

Заключение

Влияние несинусоидального напряжения негативно сказывается, практически на всех электроприёмниках нагрузки. Поэтому очень важно применять средства борьбы с несинусоидальность напряжения, к примеру, такие как :

.        Использованием фильтров высших гармоник.

.        Рациональным построением схемы электрической сети;

Уменьшение несинусоидальности напряжения позволяют уменьшить потери на электроэнергию, а значит этот экономически выгодно с точки зрения затрат на электроэнергию, особенно в нашем мире, где количество потребителей постоянно растёт .

Список литературы

1.        ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения- Введ. с 01.01.1999.

2.      Аррилага Д. Гармоники в электрических системах / Аррилага Д., Д. Брэдли, П. Боджер. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 215 с.

.        Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях//2-е изд., перераб. И доп.,- М.: Энергоатомиздат, 1986 - 186 с.

.        Жежеленко И. В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях / Жежеленко И. В., Рабинович М. Л., Божко В. М.. Киев: Техника, 1981 - 160 с.

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

.        Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии / Железко Ю.С.. М.: Энергоатомиздат, 1985.