39 Несимметричные и несинусоидальные режимы электрических сетей

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. В некоторых случаях имеет место ухудшение качества и уменьшение количества выпускаемой продукции.

Несинусоидальные режимы характеризуются появлением высших гармоник тока и напряжения. Искажение формы кривой напряжений и токов вызывается нелинейностью нагрузок системы, например таких, как выпрямители электровозов. Несинусоидальность формы кривой напряжения рассматривается как показатель ухудшения качества электроэнергии.

Расчеты несинусоидальных режимов выполняются в детерминистической или в вероятностной постановке, что определяется режимами работы нелинейных нагрузок, а также особенностями структуры частотой характеристики входного сопротивления питающей энергосистемы со стороны узлов.

Расчет несинусоидального режима питания производится с учетом заданного числа гармонических составляющих. Если номер рассматриваемой гармоники k не равен заданному конечному значению, производится переход к следующей гармонике.

Погрешности расчета несинусоидальных режимов в значительной мере определяют требования к методике расчета. Однако целесообразность выполнения расче-тов с такой высокой точностью не вызывается необходимостью, поскольку проблема высших гармоник не является оптимизационной. В большинстве случаев указанная точность не может быть достигнута в связи с неполнотой и некорректностью исходной информации. Признание факта нецелесообразности и недостижимости высокой точности расчета & нс обусловливает применение простых методов расчета, в том числе при машинном проектировании. Это положение требует обоснования.

Учет электроэнергии при несинусоидальных режимах сопряжен со значительными погрешностями.

Таким образом, расчет несинусоидальных режимов для линейных цепей сводится к расчету ряда синусоидальных режимов кратных частот и суммированию гармоник.

Следствием этого является практически полное отсутствие несинусоидальных режимов на входе системы внутреннего электроснабжения. Таким образом, мощность питающей энергосистемы и в аварийных режимах остается намного больше, чем мощность нагрузки. Основой анализа таких процессов является электромеханическая модель асинхронного двигателя, основанная на его Т - образной схеме замещения с учетом изменения ее параметров вследствие вытеснения тока в проводниках обмотки ротора и насыщения стали машины. Таким образом, данная модель описывается параметрами Т - образной схемы замещения двигателя и параметрами рабочего механизма. Параметры схемы замещения могут быть приняты на основании данных завода-изготовителя либо оценены по каталожным данным двигателя. Параметры рабочего механизма принимаются по его паспортным данным.

В заключение отметим, что задача ограничения отрицательного влияния несинусоидальных режимов может быть решена на основе стандарта, ограничивающего допустимые значения коэффициента несинусоидальности на зажимах электроприемников и на границе раздела балансовой принадлежности сети потребителя и энергоснабжающей организации, а также выброс гармоник тока из распределительных сетей в сети энергосистем.

Значительную погрешность ( до 30 %) в расчеты несинусоидальных режимов вносит допущение отсутствия влияния емкостей на процессы коммутации.

Несмотря на то, что резонанс напряжений имеет место только по основной гармонике, емкостный трансформатор не дает больших искажений при несинусоидальных режимах. Осциллограммы показывают, что при достаточно большой величине ClU Jkl токи и напряжения переходных процессов трансформируются почти так же, как в обычном трансформаторе напряжения или омическом делителе. 

Для прогнозирования влияния гармоник на устройства автоматики, телемеханики и связи нужно знать значения не только & нс, но и отдельных гармоник тока и напряжения. Важным элементом многих расчетовнесинусоидальных режимов является анализ условий, приводящих к возникновению последовательных и в особенности параллельных резонансных контуров.

На практике нередко встречаются несимметричные и в то же время несинусоидальные режимы. Например, тяговая нагрузка на переменном токе имеет несимметричный характер, и степень несимметрии изменяется во времени, что связано с движением поездов. На электровозах установлены выпрямительные установки, которые генерируют высшие гармоники. Их расположение в энергосистеме также не является постоянным.

Высшие гармоники напряжения и тока усиливают воздействие других видов электромагнитных помех. При резких снижениях напряжения в сети вероятность отказов электронных систем в условиях несинусоидальных режимов значительно возрастает.

В связи с этим значительно возрос интерес к работе конденсаторных установок при несинусоидальных режимах.

Наиболее ощутимое влияние высшие гармоники тока и напряжения оказывают на работу батарей конденсаторов. Практика работы отечественных и зарубежных промышленных предприятий свидетельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальных режимах, часто выходят из строя в результате вспучивания или взрывов.

Помимо отклонений и колебаний напряжения определенный народно-хозяйственный ущерб могут вызывать несимметрия в 3-фазной сети и несинусоидальность напряжения. Основной источник несимметрии - однофазные нагрузки: дуговые и индукционные печи, сварочные агрегаты и др. Несинусоидальность обусловливается в основном регулируемыми вентильными преобразователями. Несимметричные и несинусоидальные режимы приводят к дополнительным потерям мощности и энергии, повышенному нагреву электрооборудования, а следовательно, к ускоренному старению изоляции и повышенной аварийности. Эти режимы могут вызывать также ложные срабатывания релейной защиты и телеуправления.

В ряде случаев при этом могут существенно ухудшиться или даже оказаться неприемлемыми технические и экономические показатели работы ЭП и электрических аппаратов, присоединенных к сетям. В связи с этим приходится принимать специальные меры для снижения несимметрии и уменьшения токов высших гармоник. Для проверки соответствия фактических показателей допустимым приходится производить расчетынесимметричных и несинусоидальных режимов.

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт - или вебер-амперные характеристики которых нелинейны. Обычно такие нагрузки называют нелинейными. К их числу относятся в первую очередь различного рода вентильные преобразователи, главным образом тиристорные, установки дуговой и контактной электросварки, электродуговые сталеплавильные ( ЭДСП) и руднотермические печи, газоразрядные лампы, силовые магнитные усилители и трансформаторы. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, а во многих случаях и непериодической; в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы.

Ниже рассматриваются основные положения расчетов несимметричных режимов. Расчеты несинусоидальных режимов могут быть произведены аналогично, при этом должны составляться соответствующие схемы замещения для каждой гармоники. Следует иметь в виду, что рассмотренные ниже методы являются в определенной степени приближенными. Это связано в первую очередь с тем, что изменение нагрузок предполагается заранее известным или, как говорят, детерминированным. При несимметричных и несинусоидальных режимах изменение нагрузок отдельных фаз может быть взаимно независимым и иметь случайный характер, как это получается, например, в случае электротяговых нагрузок.

При исследовании несинусоидальных несимметричных режимов схемы всех трех последовательностей составляются на частоте каждой из гармоник у. При этом индуктивные сопротивления и емкостные проводимости должны быть соответственно увеличены в у раз по сравнению с теми же при основной частоте. Влиянием активных сопротивлений на параметры режима обычно можно пренебречь, его необходимо учитывать лишь при оценке экономичности режима. При этом должно быть учтено увеличение активных сопротивлений из-за повышения частоты. Как указывалось выше, при анализе несинусоидальных режимов более обоснованным является использование вероятностных методов расчетов.