Развитие средств обеспечения качества электрической энергии

Измерения, контроль и управление качеством. Испытание образцов вооружения и военной техники

УДК 355.7:621.316.97

В. Н.Панасюк, А. В. Вязников, П. И. Моисеенков V. N. Panasyuk, A. V., Vyaznikov, P. I. Moiseenkov

Развитие средств обеспечения качества электрической энергии The development of means to ensure the quality of electric energy

Аннотация:

В статье рассмотрены вопросы влияния новых типов оборудования, применяемых на объектах МО РФ, на качество электрической энергии в системах электроснабжения, существующие средства обеспечения требуемого уровня качества электрической энергии. На основе проведенного анализа сформулированы основные задачи для дальнейших исследований.

Abstract:

The article discusses the impact of new types of equipment used at the facilities of the Ministry of Defense, the quality of electrical energy in power systems, the existing means ofproviding the required level ofpower quality. On the basis of analysis of the main targets for further research are formulated.

Ключевые слова: качество электрической энергии, высшие гармонические составляющие, активный фильтр гармоник, пассивный фильтр гармоник, гибридный фильтр гармоник.

Keywords: power quality, the higher harmonics, active harmonic filter, passive harmonic filter, hybrid harmonic

filter.

В настоящее время в системах электроснабжения, в том числе в системах автономного электроснабжения, где мощность источников энергии соизмерима с потребляемой мощностью, все более актуальной становится проблема обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии. Это связано с ростом числа электроприемников, построенных на базе силовой преобразовательной техники - частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) различных механизмов, источники бесперебойного питания (ИБП), установки спецтоков.

В настоящее время указанные устройства, как правило, строятся по двухзвенной схеме, где входное синусоидальное напряжение выпрямляется неуправляемым выпрямителем, а затем инвертором преобразуется в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.

Схема управления ♦ драйвер ЮВТ

Рис. 1. Схема ЧРП с двухзвенным преобразователем частоты

Полупроводниковый преобразователь при подведении к его клеммам синусоидального напряжения потребляет из сети несинусоидальный ток.

Несинусоидальный ток, протекая по элементам сети, вызывает падение напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения [2;3].

В соответствии с известными в математике методами (разложение функции в ряд Фурье) несинусоидальный ток может быть представлен как сумма синусоидальных токов, каждый из которых имеет свою частоту, кратную основной. Эти составляющие называются высшими гармониками (ВГ).

Тогда потребляемый ток будет описываться уравнением:

да

^ )=Х 4« • )

П=1

где 1тп • + - гармоники или гармонические составляющие п-го порядка с амплитудой 1тп и

начальной фазой \у„.

Гармоника с номером п=1, частота которой соответствует частоте сети,называется первой или основной, остальные - высшими гармониками.

Функция напряжения питающей сети в этом случае будет иметь вид:

да

и

п=1

Гармонический состав потребляемого из сети тока зависит от пульсности схемы выпрямления. Ряд присутствующих гармоник подчиняется зависимости

п = кт ± 1,

где п - номер гармоники в кривой тока, т - пульсность схемы, к - ряд натуральных чисел.

Для количественной оценки искажения кривой напряжения используются следующие коэффициенты:

коэффициент гармонической составляющей напряжения до 40-го порядка Ки(„) в процентах напряжения основной гармонической составляющей и1

К- („) = 100 • -^Х3) и1

суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения (отношение среднеквадратического значения суммы всех гармонических составляющих до 40-го порядка к среднеквадратическому значению основной составляющей) Ки

^ = 100 •-

[ N п=2

и

%

где —(„) - среднеквадратическое значение п-й гармонической составляющей напряжения, В, кВ;

п - порядок гармонической составляющей напряжения;

N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения.

Наличие высших гармоник напряжения и тока приводит к ряду нежелательных последствий: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи[2;3].

В асинхронных двигателях высшие гармоники тока и напряжения вызывают дополнительные потери в обмотках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта, гармоники тока в статоре вызывают соответствующие моменты вращения, что приводит к повышенной вибрации двигателя.

Искажение формы кривой напряжения заметно сказывается ионизационных процессах, протекающих в изоляции электрических машин и трансформаторов. Это связано с тем, что при искажении формы кривой напряжения существенно интенсифицируются ионизация газовых включений в изоляции, что приводит к снижению её электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и, в конечном счете, к сокращению срока службы.

Исследования кабелей, работающих в условиях синусоидального напряжения и при Ки = 6... 8,5%, показали, что токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36%, через 3,5 года - на 43% больше, чем в первом.

При наличии ВГ в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно.. Помимо этого батареи конденсаторов (БК) периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из ВГ, в результате чего ток ВГ в конденсаторе может превышать номинальные значения в несколько раз, что является причиной вспучивания и взрыва БК. Данное обстоятельство значительно

6

затрудняет применение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности в сетях.

Высшие гармоники нарушают работу систем защиты, вызывая их ложное срабатывание или отказ, ухудшают их характеристики и снижают срок эксплуатации, сбиваются уставки срабатывания по току и напряжению. Особенно чувствительны к гармоникам системы защиты, выполненные на цифровых элементах.

Особенно чувствительными к высшим гармоникам являются системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов автономных источников энергии, системы автоматической синхронизации и распределения реактивной мощности, которые в настоящее время выполняются на базе микроконтроллеров и цифровых элементов.

Высшие гармоники тока и напряжения могут вызывать сбои в работе устройств телемеханики, если в качестве каналов связи между диспетчерским и контролируемым пунктами используются линии электропередачи.

Негативному воздействию высших гармоник подвергаются и сами преобразователи. Оно проявляется в ухудшении условий коммутации силовых вентилей, сбоях в системе управления, увеличении пульсаций на стороне постоянного тока.

Чувствительны к качеству потребляемой электроэнергии устройства и системы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), высокий уровень гармоник в питающем напряжении может приводить к сбоям в работе различного рода РЭА. Высшие гармоники тока, кроме того, могут быть причиной возбуждения радиопомех.

Коэффициенты гармонических составляющих являются показателями качества электроэнергии, предельные значения которых устанавливаются нормативными документами.

Коэффициенты гармонических составляющих, определяются в соответствии с ГОСТ 32144-2013, согласно которому значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки в сетях 0,38 кВ не должны превышать 8 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю и 12 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Существующие средства оценки влияния нелинейной нагрузки на качество электроэнергии в питающей сети позволяют рассчитывать коэффициенты гармонических составляющих, имея данные о типе и мощности нелинейной нагрузки и мощности источника питания. Так, при питании от источника ограниченной мощности и суммарной нелинейной нагрузке, состоящей из 6-пульсных выпрямителей без каких-либо средств компенсации высших гармоник тока, 50 % от мощности трансформатора, Ки будет составлять порядка 15 %, что почти вдвое превышает норму. Приведенные данные показывают необходимость компенсировать высшие гармоники в сетях с нелинейной нагрузкой.

Случаи применения специальных средств компенсации нелинейных искажений известны лишь на крупных предприятиях с нелинейной нагрузкой (металлургические комбинаты, целлюлозно-бумажные комбинаты), где для снижения уровня высших гармоник по результатам расчетов или натурных замеров устанавливались пассивные фильтры, представляющие собой последовательно соединенные реакторы и батареи конденсаторов. Сопротивление фильтра токам высших гармоник определяется зависимостью:

X^^ = п • - ^ X5)

( ) п

где Хь, Хс - сопротивления соответственно реактора и батареи конденсаторов току промышленной частоты.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается, а батареи конденсаторов -уменьшается пропорционально номеру гармоники. На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте. В общем случае на каждую гармонику необходим свой фильтр.

а) 6) *)

Рис. 2. Упрощенные схемы ФКУ

Сопротивление фильтра на основной частоте носит емкостной характер, и кроме снижения уровня высших гармоник обеспечивают генерацию реактивной мощности, поэтому их еще называют фильтрокомпенсирующими устройствами (ФКУ). Возможные варианты ФКУ показаны на рис. 2.

Применение ФКУ позволило выявить их некоторые существенные недостатки. Во-первых, значительная установленная мощность и необходимость использования ФКУ нескольких гармоник, что снижает надежность устройств и увеличивает значение токов короткого замыкания в СЭС, а также увеличивает габариты всей установки. Во-вторых, высокая чувствительность к точности настройки. В-третьих, резонансные фильтры настраиваются на определенную частоту кратную основной частоте сети, которая в различных режимах работы может изменяться.

В связи с этим последние годы велись интенсивные поиски решений, позволяющих избежать указанных недостатков. Наиболее перспективным направлением в этом вопросе представляется применение так называемых активных фильтров гармоник [2;4].

Активный фильтр (АФ) является источником тока, состоящего из реактивного тока первой гармоники нагрузки и суммарного тока ВГ. В силовой части АФ используется инвертор напряжения, на стороне постоянного тока которого включен конденсатор, выполняющий функцию накопителя энергии (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема АФ

Устройство управления измеряет сигналы напряжения и тока в точке компенсации (точке подключения АФ к сети), вычисляет ток искажения, вносимый нелинейной нагрузкой, определяет суммарный ток компенсации фильтра с учетом заданных пользователем требований и формирует управляющие импульсы для силовых ключей инвертора. В рассматриваемой схеме имеет место двухсторонний обмен реактивной мощностью первой гармоники и мощностью искажения фильтруемых гармоник между фильтром и сетью таким образом, что среднее значение в установившемся режиме равно нулю.

Lс

Uc

сО)

Сф

АФ

Rф,

-Т

Cd

Рис. 4. Параллельное подключение активной части ГФ

По сравнению с пассивными АФ имеют следующие преимущества: высокие динамические характеристики (время реагирования менее 1 мс), возможность фильтрации до 20 гармоник, четырехпроводный вариант схемы подключения позволяет исключить третью и другие кратные ей гармоники тока нейтрали, возможность выбора эксплуатационного режима работы (для компенсации высших гармоник или для компенсации ВГ и реактивной мощности), малые размеры; низкие потери мощности (меньше 3 % номинальной мощности нагрузки), отсутствие

L

ф

помех, влияющих на работу систем управления, большая гибкость в перестройке режимов, невозможность перегрузки.

Однако высокая стоимость активных фильтров ограничивает их применение. В этой связи возникла необходимость поиска компромиссных решений, каковым являются гибридные фильтры (ГФ). Принцип действия гибридного фильтра основан на формировании силовым электронным устройством в цепях пассивных фильтров токов и напряжений, изменяющих частотные характеристики фильтра для повышения его эффективности. В настоящее время разрабатываются различные методы управления пассивными фильтрами на основе применения активных фильтров, выполняющих функцию исполнительного органа регулятора параметров пассивных фильтров. Установленная мощность активной части снижается более чем на порядок по сравнению с мощностью параллельно включенного активного фильтра. Кроме того, появляется возможность автоматической коррекции параметров фильтра в процессе эксплуатации. Наибольшее распространение получили параллельные способы подключения активной части к пассивной (рис. 4) [4].

Можно сделать вывод, что доля потребителей, ухудшающих качество электроэнергии в системах электроснабжения, увеличивается. Одновременно растет число электроприемников, предъявляющих повышенные требования к качеству электроэнергии (вычислительная техника, средства автоматизации и др., выполненные на базе микропроцессоров). Все это указывает на необходимость применения специальных средств обеспечения качества электроэнергии, которые должны отвечать современным требованиям: быть компактными, высокодинамичными (практически мгновенно реагировать на любые изменения в нагрузке), экономичными, иметь возможность выбора эксплуатационного режима. Внедрение рассматриваемых устройств должно быть обеспечено комплексом мероприятий - от нормативно-технических до эксплуатационных. Должны быть разработаны инженерные методики оценки гармонических составляющих учитывающие режимы функционирования объекта, методики выбора типов и установленных мощностей средств компенсации, методики выбора мест установки средств компенсации.

Список литературы:

1. Михайлов А.К. Специальные вопросы объектов Министерства Обороны.// ЛВВИСУ, 1987 г.

2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 4-е издание переработанное и дополненное.// Энергоатомиздат, М. 2000 г.

3. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии. Руководство для практических расчетов.//ЭНАС, М. 2009г.

4. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов. 2-е издание// Издательский дом МЭИ, М 2009 г.

5. ГОСТ 32144-13. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

Проектирование, строительство и реконструкция объектов военного назначения

УДК 355.76:629.198 К17

Богомолов С.И.

Bogomolov S.I.

Перспективные методы неразрушающего контроля состояния конструкций зданий и сооружений Perspective methods for nondestructive testing of the condition of structures of buildings and constructions

Аннотация:

В статье излагаются три новых метода неразрушающего контроля строительных конструкций при оценке технического состояния зданий и сооружений.

Abstract:

In this state three methods undestroyed control of building construction is expounding. This methods is using for valuing technical condition of building and structure. These methods are named: Kirlian-effect, earth radar methods and road detector.

Ключевые слова: оценка технического состояния сооружений, Кирлиан-эффект, геолокатор.

9