Нормы качества электрической энергии и область их применения в системах электроснабжения. Потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения, и пути их уменьшения

Передача электрической энергии от источника питания к потребителям связана с потерей части мощности и энергии в системе электроснабжения (трансформаторах, линиях, реакторах). Эти потери определяются током, протекающим по линии, и величиной передаваемого напряжения.

Следовательно, умение правильно рассчитать потери во всех звеньях системы электроснабжения, выявить определяющие их составляющие и установить основные направления по снижению потерь и экономии электроэнергии – основные условия проектирования и эксплуатации электрической сети.

Общая нагрузка потребителей складывается из мощности его активных и реактивных нагрузок.

Снижение потребления электроэнергии является одним из важных показателей производственной деятельности предприятия. Основной способ снижения потребления электроэнергии – её экономия за счёт уменьшения потерь электроэнергии в системе электроснабжения предприятия (в трансформаторах, реакторах, линиях), а также за счёт рационализации и усовершенствования технологического процесса потребления электроэнергии электродвигателями, электротермическими установками, преобразовательными и осветительными установками и др.

Потеря напряжения в системе электроснабжения - величина, равная разности между установившимися значениями действующего напряжения, измеренными в двух точках системы электроснабжения (ГОСТ23875-88 "Качество электрической энергии. Термины и определения"), например, алгебраическая разница между напряжением в начале (например, у источника питания) и в конце (на зажимах электроприемника) линии.

На вторичных обмотках трансформаторов ТП напряжение 0,4кВ (п. 1.2.23 ПУЭ 7-го изд.), т.е. 105% от номинального напряжения электрической сети 0,38кВ (ГОСТ 721 и ГОСТ 21128). Имеем от шин ТП до ВРУ “располагаемую” потерю напряжения в нормальном режиме 5% - среднее значение в пределах 4-6% (п. 5.2.4 РД 34.20.185-94). Нормально допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах ЭП ±5% от номинального напряжения сети (п. 5.2 ГОСТ 13109-97).

Имеем “располагаемую” потерю напряжения ≈10% от шин РУ 0,4кВ ТП до н.у. ЭП, но рекомендуется, чтобы суммарные потери напряжения от шин ТП до н.у. лампы ЭО не превышали 7,5% (СП 31-110-2003). Значит, если от шин 0.4кВ ТП до ВРУ - 5%, то на участке от ВРУ до н.у. лампы ЭО не более 2.5%, а для остальных ЭП потери в ЭУ зданий не должны превышать 4% (ГОСТ Р 50571.15-97):

· от шин ТП до ВРУ - 5% (380В);

· от шин ТП до н.у. лампы ЭО - 7,5% (370В);

· от шин ТП до н.у. ЭП - 9% (364,8В).

А потери напряжения в ЭУ здания на различных участках электрической сети, т.е. р.л. и гр.л. (см.столбцы "b" и "c" табл.1), не нормируются и выбираются исходя из конкретных условий, ТЭО и т.д. С точки зрения уменьшения трудоёмкости проектирования, потери напряжения на различных участках электрической сети, на мой взгляд, можно принять следующими, от ВРУ до:

· н.у. лампы ЭО не более 2.5%, из них

· р.л. до ЩО – 0,5%,

· гр.л. до н.у. ламп ЭО – 2%.

· н.у. ЭП не должны превышать 4%, из них

· р.л. до ЩР – 2%,

· линии до н.у. ЭП – 2%.

· эл.двигателя, РЭА и спец.оборудования - по паспорту, но не более 15%.

· Для цепей напряжения счетчиков учета электроэнергии – 0,5% (РМ-2559).

Потерю напряжения в каждой групповой линии (при равных сечениях проводников) в сетях внутреннего ЭО и штепсельных розеток рассчитывать не требуется, т.к. нет действующих руководящих документов, обязывающих делать такой расчет, который необходим только для выявления значений при наихудших условиях, т.е. для н.у. лампы ЭО и самой нагруженной линии н.у. ЭП.

По опыту проектирования потери напряжения во внутриквартирных групповых линиях общего освещения могут приниматься равными 1-0,8 % (Тульчин И.К., Нудлер Г.И., Электрические сети и электрооборудование жилых и общественных зданий - 2-е изд., М.: Энергоатомиздат, 1990; см. табл. 16,1 "Пределы допустимых потерь напряжения, при которых параметры электрической сети имеют значения, близкие к оптимальным" на стр. 253).

Рекомендуемые допустимые потери напряжения и обязательные нормально допустимые значения установившегося отклонения напряжения в нормальном режиме в электрических сетях 0,4/0,23 кВ.

На шинах н/н ТП в период наименьших нагрузок сетей не выше 100% номинального напряжения (п. 1.2.23 ПУЭ 7-го изд.) и потери напряжения, зависящие от мощностей нагрузки в сетях, пропорционально уменьшаются.

Но это еще не все! Нужно сделать расчет на потери напряжения в послеаварийном режиме, чтобы не выйти за предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения (ГОСТ 13109-97): ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение). Расчет на потери напряжения в послеаварийном режиме м.б. актуален, например, для взаиморезервируемых кабельных линий.

2. Режимы нейтрали источников и приемников электрической энергии.

По классификации ПУЭ электротехнические установки выше 1000 В разделяются на установки с большими токами замыкания на землю, в которых ток однофазного замыкания на землю превышает 500 А, и установки с малыми токами замыкания на землю, в которых ток однофазного замыкания равен или менее 500 А.

К установкам выше 1000 В с большими токами замыкания на землю относятся электротехнические установки с нейтралями, присоединенными к заземляющим устройствам непосредственно или через малые сопротивления - трансформаторы тока и другие аппараты, имеющие малые сопротивления (установки с глухозаземленной нейтралью).

К установкам выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю, относятся установки с нейтралями, присоединенными к заземляющим устройствам через аппараты, компенсирующие емкостный ток сети на землю, или через трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большее сопротивление, и установки, не имеющие нейтральных точек, присоединенных к заземляющим устройствам (установки с изолированной нейтралью).

В установках с глухозаземленной нейтралью всякое замыкание на землю является коротким замыканием и сопровождается большим током К.З. (под замыканием на землю понимается случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с заземленными конструкциями или с землей непосредственно). В установках с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не является К.З.

Прохождение тока через место замыкания обеспечивается проводимостями фаз относительно земли, причем в установках выше 1000 В преобладает емкостная проводимость; активная проводимость составляет несколько процентов емкостной.

Применение глухого заземления нейтрали стабилизирует напряжение фаз по отношению к земле и в связи с этим уменьшает перенапряжения, позволяет применять вентильные разрядники с меньшим остающимся напряжением (примерно 3U_ном, а в незаземленных сетях - около 4 U_ном) и снижать уровень изоляции. Глухое заземление нейтрали уменьшает сопротивление нулевой последовательности, и ток однофазного к.з. может стать больше тока трехфазного к.з.

Для уменьшения тока однофазного к.з. применяется способ разземления части нейтралей сети. Однако на разземленной нейтрали при замыкании на землю появляется значительный потенциал. Это необходимо учитывать в связи с тем, что в современных трансформаторах изоляция вывода нейтрали выполняется ниже изоляции фазных выводов.

При применении глухого заземления нейтрали ток однофазного к.з. достигает нескольких десятков килоампер и для ограничения размеров повреждения током к.з. требуется возможно более быстрое отключение повреждения.

Кроме того, при замыканиях, на землю, сопровождающихся большими токами, возникают значительные некомпенсированные магнитные потоки нулевой последовательности, которые необходимо учитывать вследствие их влияния на установки связи. Наконец, для осуществления глухого заземления заземляющие устройства, осуществляющие непосредственный контакт с землей, представляют собой сложные устройства, особенно в связи с учетом появления больших «шаговых» напряжений.

В установках с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на землю треугольник напряжений остается практически неизменным, а электроснабжение не прерывается.

Допускается возникшее замыкание не отключать в течение 2 ч для отыскания повреждения и принятия мер по обеспечению электроснабжения потребителей по другой цепи. В месте замыкания в течение этого времени проходит емкостный ток, определяемый емкостями фаз сети на землю. Если этот ток относительно невелик, то за время существования замыкания он не успевает привести к значительным нарушениям изоляции в месте повреждения. При достаточно большом токе замыкания через дугу возможно повреждение междуфазной изоляции кабеля и однофазное замыкание может перейти в междуфазное к.з.

Для снижения емкостного тока в месте замыкания применяются компенсирующие аппараты: заземляющие реакторы, включаемые в нейтраль (катушки Петерсона), и трехфазные заземляющие трансформаторы (трансформаторы Бауха). При наличии этих устройств приведенная схема нулевой последовательности состоит из двухконтуров: место замыкания - проводимость фазы на землю место замыкания - индуктивность компенсирующего устройств!

В этом случае в контуре замыкания создается резонанс токов емкостного и индуктивного.

Согласно ПУЭ компенсация емкостного тока замыкания и землю при помощи компенсирующих аппаратов должна применяться:

1) в сетях 35 кВ - при токах замыкания на землю более 10 А;

2) в сетях 15 - 20 кВ - при токах замыкания на землю боле 15 А;

3) в сетях 10 кВ - при токах замыкания на землю более 20 А;

4) в сетях 6 кВ - при токах замыкания на землю более 30 А;

5) в схемах блоков генератор - трансформатор с генераторным напряжением 6 - 20 кВ - при токах замыкания на землю более 5 А.

Применение аппаратов компенсации емкостного тока замыкания на землю способствует быстрому гашению дуги в месте замыкания, и поэтому компенсирующие аппараты называются еще дугогасящими.

Для сетей с компенсацией емкостного тока замыкания на землю; применяются названия сети с компенсированной нейтралью и ceти с настроенной индуктивностью. Таким образом, выбор режима работы нейтрали в установках выше 1000 В является результатом учета многих факторов (экономические соображения, влияние на отключающую способность выключателей, устранение перенапряжений дуговых замыканий на землю, возможность повреждения оборудования током замыкания на землю, возможность перехода однофазного замыкания междуфазное, воздействие на провода связи потоков нулевой последовательности, шаговые напряжения, зависящие от больших токов замыкания на землю, вопросы релейной защиты и др).

В настоящее время вопрос о режиме нейтрали решается следующим образом. Электрические сети с номинальными напряжениями 3 - 35 кВ работают, с малыми токами замыканий на землю (с изолированными нейтралями или компенсацией емкостного тока замыкания на землю).

Электрические сети с номинальным напряжением 110 кВ и выше работают с большими токами замыкания на землю (заземлены, нейтрали всех автотрансформаторов и большинства трансформаторов; некоторая часть нейтралей трансформаторов разземляется для уменьшения тока однофазного к.з. до тока трехфазного к.з, определяющего отключающую способность выключателей).

Такой выбор режима заземления нейтралей объясняется следующими факторами:

а) В сетях с малыми токами замыкания на землю обеспечивается, возможность сохранять в работе линию с замыканием на землю в течение некоторого времени, достаточного для отыскания мест повреждения и включения резерва;

б) Снижается стоимость заземляющих устройств, что очень важно по экономическим соображениям из-за большого числа установок 3 - 35 кВ;

в) Уменьшается на 1/3 число трансформаторов тока и сокращается количество защитных реле;

г) Повышение стоимости изоляции из-за больших остающихся напряжений на вентильных разрядниках относительно невелико;

д) В сетях с большими токами замыкания на землю стоимость изоляции при напряжениях 110 кВ и выше значительно снижается при глухом заземлении, нейтрали, а увеличение, стоимости заземляющих устройств мало сказывается из-за небольшого числа установок по сравнению с числом установок 3 - 35 кВ.

Этот же фактор (небольшое число установок) делает не очень существенным повышение числа трансформаторов тока и защитных реле.

е) Надежность работы сетей с глухим заземлением нейтралей возрастает, так как поврежденный участок немедленно отключается.

В силу того что большинство замыканий после отключения само­устраняется, в этих сетях оказывается особенно эффективным применение автоматических повторных включений.

В отличие от общепринятого способа заземления нейтралей сети 110 кВ и выше в районах вечной мерзлоты и в районах со скалистым грунтом выполняются без глухого заземления нейтралей в связи с высокими удельными сопротивлениями грунта и трудностями осуществления заземляющих устройств.