Показатели качества электроэнергии в установившихся и переходных режимах

Качество электроэнергии определяется совокупностью показателей, определяющих меру отклонений амплитуд, частоты и взаимной ориентации фаз, мгновенных значений напряжений от их номинальных значений, а также искажение синусоидальности их формы.

В СЭЭС переменного тока потребители электроэнергии должны работать при значениях напряжения и частоты, близких к номинальным. Для трехфазных потребителей идеальному питанию соответствует следующий вид мгновенных значений фазных напряжений (u_a, u_b, u_c):

• u_a = U_{a max} sin (2 f t +  _a)

• u_b = U_{b max} sin (2  f t +  _b) (3.1)

• u_c = U_{c max} sin (2  f t +  _c)

где Ua max = Ub max = Uc max = - амплитуды фазных напряжений и их номинальное действующее значение; f = fном; а - b = b - c = a - c = 2 / 3.

Изменения нагрузки и условий работы, несовершенство характеристик генераторных агрегатов и ряд других причин приводят к искажению напряжения. Для нормального функционирования элементов СЭЭС необходимо определить вид возникающих по отношению к (3.1) отклонений напряжений и приемлемые для большинства электрооборудования их численные значения. При этом источники электроэнергии должны обеспечивать выполнение этих ограничений во всех заданных режимах работы СЭЭС, а потребители должны быть адаптированы к работе в таких условиях.

Показатели качества электроэнергии СЭЭС нормируются Правилами Морского Регистра РФ отдельно для установившихся и переходных режимов.

Показатели качества электроэнергии для установившихся режимов работы

1. Установившееся отклонение напряжения (∆Uу):

По Правилам Регистра ∆U_у основных судовых генераторов переменного тока не должны превышать ± 2,5 % при изменениях нагрузки с номинальным коэффициентом мощности от холостого хода до номинальной. Для аварийных агрегатов при тех же условиях допускаются отклонения до ± 3,5 %. Отклонения напряжения в пределах до ± 3,5 % допускаются и для основных генераторов, если им приходится работать с коэффициентом мощности 0,6.

2. Установившееся отклонение частоты (∆fу):

Значение ∆fу согласно нормам не должно превышать ± 5 % при изменении нагрузки генераторного агрегата от 25 до 100 % номинальной.

3. Коэффициент несимметрии (кнес) трехфазного напряжения:

где (U)max и (U)min – наибольшее и наименьшее действующие значения линейных или фазных напряжений данного режима работы СЭЭС.

Несимметрия напряжений, в общем случае, - неравенство как напряжений (небаланс) фаз, так и углов сдвига фаз. Расчет несимметричных режимов осуществляется методом симметричных составляющих. Суть его заключается в представлении любой несимметричной системы из трех векторов в виде суммы трех систем: прямой, обратной и нулевой последовательностей фаз (рис. 3.1).

Определение этих составляющих осуществляется с помощью следующих преобразований:

где: – векторы фаз исходной системы; – векторы фазы А,соответственно, составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей; а – единичный вектор, равный а = , умножение на него соответствует повороту исходного вектора против часовой стрелки на угол 120°; = ,

Для симметричной системы: =0, =0

Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей для фаз В и С равны по значению соответствующим составляющим фазы А. Ориентация этих фаз зависит от вида последовательности: для нулевой последовательности – векторы всех фаз совпадают; для прямой последовательности – вектор отстает от на 120 °, а – на 240 °; для обратной последовательности – вектор отстает от на 240 °, а – на 120 °

Переход от симметричных составляющих к результирующей системе производится по следующим формулам:

При выполнении преобразований необходимо учитывать следующее свойство: 1 + а + а ² = 0.

Для ориентировочных оценок можно принимать относительное значение U₂=(2/3)к_нес. Напряжение прямой последовательности во всех реальных случаях рекомендуется принимать равным 1 о.е.

Несимметрия напряжений трехфазной системы возникает вследствие несимметричного распределения токов нагрузки по отдельным обмоткам фаз статора генератора из-за неравномерного распределения однофазных приемников по фазам генератора и суммарного небаланса несимметричных трехфазных приемников.

Небаланс напряжений системы может увеличиваться за счет собственного небаланса напряжений трехфазного генератора в режиме холостого хода. Однако для генераторов средней и большой мощности он не превышает 0,1…0,2 % и лишь в отдельных случаях достигает 0,5…0,6 %, а у генераторов мощностью менее 100…200 кВт может быть больше. Учитывая сказанное, подключение потребителей в СЭЭС должно быть таким, чтобы в нормальных условиях ток отдельных фаз отличался не более чем на 15 %.

Судовые сети выполняются с изолированной нейтралью, поэтому основной ущерб от небаланса напряжений определяется влиянием на работу потребителей составляющей обратной последовательности. Степень влияния зависит от вида потребителей.

В электрических машинах любой несимметричный режим сопровождается появлением высших гармонических составляющих. Степень проявления рассмотренного эффекта зависит от глубины несимметрии и параметров электрических машин. Для синхронных генераторов считается допустимым значение тока обратной последовательности 5 %, при этом токи в фазах не должны превышать номинального значения, что ведет к снижению мощности машины.

Наличие составляющей обратной последовательности в питающем напряжении вызывает дополнительный нагрев АД и появление тормозящего момента (m):

где z1, z2 – сопротивления токам прямой и обратной последовательностей; s – скольжение, равное s = (nc – n)/ nc, nc – синхронная частота вращения.

Обычно при номинальной нагрузке s = 0,05, z₂  0,162, z₁  (5…7) z₂, тогда

Дополнительные потери ( Pнс), возникающие в АД при несимметрии напряжений можно оценить:

где: Рм1 – потери в меди статора при номинальном токе прямой последовательности; In* - отношение пускового тока к номинальному.

Срок службы загруженного до номинальной мощности АД, работающего при несимметрии напряжения в 2 % сокращается незначительно, а при 4 % - сокращается примерно в два раза.

Для линий электропередач и трансформаторов небаланс напряжений приводит к неравномерности загрузки фаз и, по условиям нагрева, к снижению допустимого тока прямой последовательности. Таким образом, работа в таких условиях уменьшает пропускную способность линий электропередач.

В многофазных выпрямителях и преобразователях несимметрия напряжений снижает эффективность их работы. В 3-х, 6-и, 12-и схемах выпрямления возникают пульсации двойной частоты на стороне постоянного тока. Амплитуды этих пульсаций пропорциональны au2. Они вызывают резонанс в сглаживающих фильтрах, перегружают конденсаторы фильтров, плохо сказываются в сети постоянного тока.

Конденсаторные установки поперечного включения неравномерно загружаются реактивной мощностью, которая всегда меньше номинальной:

где Uзф – напряжение наиболее загруженной фазы.