Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2000 р.

Вип. № 10

ЕНЕРГЕТИКА

УДК 621.311

Жежеленко И.В.1, Гаврилов Ф.А.2

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Проведен анализ влияния качества электроэнергии и особенно несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования в системах электроснабжения предприятий, а также сформулированы направления развития исследований по

данной тематике.

Проблема качества электрической энергии в системах электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий возникла в 70-х годах в связи с широким распространением в промышленности электротехнологий: печей электрошлакового переплава, электродуговых сталеплавильных печей, рудно-термических печей, автоматизированной дуговой сварки, быстродействующих вентильных преобразователей с широким диапазоном регулирования, силовых магнитных усилителей, газоразрядных ламп.

Все эти нагрузки являются или нелинейными, или несимметричными, или резкоперемен-ными (ударными). Наличие таких нагрузок обуславливает существенное увеличение уровня электромагнитных полей в электрических сетях промышленных предприятий и энергосистем. Эти помехи, в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности, неблагоприятно влияют на силовые электроустановки, системы автоматики, телемеханики, связи и релейной защиты, что приводит к снижению надежности электроснабжения, увеличению потерь электроэнергии, ухудшению качества и уменьшению количества выпускаемой продукции. Все эти обстоятельства обусловили возникновение проблемы качества электроэнергии или, иначе, электромагнитной совместимости различных видов электрооборудования, в том числе и электрические сети.

Научным направлением кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» все годы ее существования было и остается качество и надежность систем электроснабжения промышленных предприятий.

Одной из основных частей проблемы качества электроэнергии является проблема высших гармоник, т.к. на современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт- или вебер-амперные характеристики которых нелинейны. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, а в некоторых случаях и непериодической. В результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети, т.е. несинусоидальные режимы. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. Бывает, что ухудшение качества приводит к уменьшению количества выпускаемой продукции. Поэтому прогрессирующее внедрение вентильного электропривода и электротехнологии обусловило важность и актуальность решения проблемы высших гармоник в электрических сетях.

! ПГТУ, акад., д-р техн. наук проф. 3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

Установлено, что основной круг вопросов, составляющий содержание этой проблемы, сводится к следующим: оценке электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок, т.е. влияние высших гармоник на электроустановки и возникающего при этом экономического ущерба; количественной оценке высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозированию значений высших гармоник тока и напряжения в СЭС; снижению уровней высших гармоник.

В общем случае кривые напряжений и токов в промышленных электрических сетях могут рассматриваться как амплитудно-модулированные колебания со случайным законом изменения амплитуды и начальной фазы во времени. Временной подход к исследованию нелинейных искажений не всегда удобен для практического использования. Преимущественное распространение получил спектральный подход, основанный на представлении кривых токов и напряжений в виде совокупности элементарных колебаний.

Если нелинейная нагрузка работает в «спокойном» режиме, то выражение для тока представляется рядом Фурье. Совокупность амплитуд и фаз образует дискретные амплитудный и фазовый спектры. Для решения практических задач основное значение имеет амплитудный спектр частот.

При применяющемся во времени режиме работы нелинейных нагрузок, в частности, при резкопеременных нагрузках (преобразователи прокатных станов, установок дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные печи) кривые и(0 и 1(1) оказываются непериодическими, т.е. представляются бесконечной суммой высших гармоник с бесконечно малыми амплитудами. Однако на практике получается достаточная точность и при использовании ряда Фурье. Тогда амплитуды и фазы высших гармоник изменяются во времени по детерминированным или случайным законам. Наряду с высшими гармониками целочисленных порядков появляются и составляющие боковых частот, не кратных частоте сети. При работе нелинейных нагрузок появляются импульсные и флуктуационные помехи. Они обуславливают появление составляющих сплошного спектра, энергия которого оказывается несколько ниже энергии гармонических составляющих.

Сотрудниками кафедры под руководством Жежеленко ИВ. проводились и продолжают проводиться теоретические и экспериментальные исследования высших гармоник напряжения и тока в следующих направлениях:

- исследования влияния высших гармоник на работу силового электрооборудования, устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики, связи и нормирование уровней высших гармоник (проведены многочисленные измерения уровней высших гармоник в сетях металлургических, химических, целлюлозно-бумажных предприятий, городских сетях; собран и обработан большой объем статистических данных как об уровнях высших гармоник, так и об их влиянии на работу различного электрооборудования, средств релейной защиты, автоматики, телемеханики; с нашим участием разработан ГОСТ 13109-67, а впоследствии и ГОСТ 13109-87 на качество электроэнергии в сетях общего назначения);

- исследование схем замещения элементов систем электроснабжения как генераторов и потребителей высших гармоник (разработаны методы расчета уровней высших гармоник в системах электроснабжения промышленных предприятий и электрических системах как для стационарных, так и для случайных процессов);

- анализ распределения высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях (разработаны методики оценки токораспределения высших гармоник в электрических сетях, а также определения виновника искажений);

- создание измерительных приборов и экспериментальные исследования высших гармоник в сетях (разработаны и мелкосерийно изготовлены щитовые приборы для текущего контроля основных показателей качества электроэнергии, создана система автоматизированного учета некачественной электроэнергии, работающая совместно с автоматизированной системой учета электроэнергии и позволяющая применить систему скидок и надбавок за некачественную электроэнергию);

- снижение уровней высших гармоник (кафедрой разработаны методы снижения уровней высших гармоник в системах электроснабжения, а также электроснабжения силовые резонансные фильтры и фильтры компенсирующего устройства, используемые в практике проектирования преобразовательных устройств).

В настоящее время, продолжая работу в области высших гармоник, сотрудниками кафедры исследуются методы анализа интергармоник в системах промышленных предприятий с применением прямого преобразования Фурье и моделирования случайного процесса изменения нелинейной нагрузки по ее заданным характеристикам.

Кроме того, исследуется влияние несинусоидальных режимов и колебаний напряжения на показатели надежности изоляции силовых трансформаторов. Доказана необходимость использования вероятностного подхода к количественной оценке надежности электроснабжения, учитывающего режимы работы электрооборудования, разработана математическая модель, позволяющая рассчитать показатели надежности силовых трансформаторов с учетом вероятностных характеристик показателей качества электроэнергии.

Результаты работы сотрудников кафедры опубликованы во многочисленных статьях и нескольких десятках монографий. Один раз в четыре года кафедрой проводятся Международные конференции по проблеме качества и эффективности электроснабжения промышленных предприятий, в которых принимают участие ученые из стран СНГ (России, Белоруссии, Эстонии, Казахстана), Польши, Венгрии, Германии, Франции, Израиля.

Последняя IV Международная научная конференция «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» была проведена в мае текущего года. Регулярно издаются сборники трудов этих конференций.

Жежеленко Игорь Владимирович. Ректор ПГТУ, академик, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, окончил Московский энергетический институт в 1954 году. Основные направления научных исследований - проблемы качества электроэнергии.

Гаврилов Федор Андреевич. Канд.техн. наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, окончил Мариупольский металлургический институт в 1966 году. Основные направления научных исследований - проблемы качества электроэнергии.