Влияние качества электроэнергии на надежность систем электроснабжения

Качество электроэнергии влияет не только на технологический процесс производства и производительность труда и механизмов, но и на потери электроэнергии, работу РЗ, автоматики и т.д. Поэтому качество электроэнергии является одним из основных требований, обеспечивающих нормальную работу системы ЭСН. В нормальном режиме работы системы ЭСН показатели качества электроэнергии (ПКЭ) не должны выходить за пределы допустимых значений, которые приведены в ГОСТ 13109-98. [8] Наиболее значительное влияние на надежность работы приемников электроэнергии и технологических установок оказывают такие ПКЭ, как отклонения, несимметрия и несинусоидальность напряжения. Основными факторами, вызывающими отклонения напряжения в системах ЭСН промышленных предприятий, являются следующие: — изменение режимов работы приемников электроэнергии; — изменение режима работы ИП; — нерациональное подключение однофазных и ударных нагрузок к элементам системы ЭСН. Изменение напряжения на зажимах приемника электроэнергии даже в пределах, установленных ГОСТ, вызывает изменение его технико-экономических показателей. Кроме того, отклонения напряжения влияют на показатели питающей сети за счет изменения потерь мощности и электроэнергии. Существенное влияние оказывают отклонения напряжения на надежность работы асинхронных двигателей (АД), которые являются наиболее распространенным промышленным приемником электроэнергии. Приближенно можно считать, что вращающий момент АД пропорционален квадрату напряжения на его зажимах, т.е. Мвр ≈ U2. Поэтому при снижении напряжения уменьшается вращающий момент и несколько снижается частота вращения АД, так как увеличивается его скольжение. Снижение частоты вращения зависит также от закона изменения момента сопротивления Мс и от загрузки АД. При малых загрузках двигателя частота вращения ротора будет больше номинальной (при номинальной нагрузке двигателя). В таких случаях понижение напряжения не приводит к уменьшению производительности механизмов, так как не происходит снижения частоты вращения двигателей ниже номинальной. Для двигателей, работающих с полной нагрузкой, понижение напряжения приводит к уменьшению частоты вращения. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на зажимах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже Uном. При значительном снижении напряжения на зажимах электродвигателя, работающего с полной нагрузкой, Мс механизма может превысить Мвр, что приведет к «опрокидыванию» двигателя, т.е. к его остановке. При правильном выборе мощности электродвигателя и элементов цеховой электрической сети явления «опрокидывания» двигателей, как правило, исключаются. Практический интерес представляет зависимость потребляемой двигателем активной и реактивной мощности от напряжения на его зажимах. При отклонениях напряжения ± 10 % активная мощность на валу двигателя меняется незначительно. В то же время потери активной и реактивной мощностей в двигателе колеблются в значительных пределах. Изменения потерь активной мощности в АД соизмеримы с потерями в цеховой электрической сети и оказывают при этом заметное влияние на электропотребление. Непостоянство активной и реактивной мощностей и напряжения вызывает изменение тока двигателя. При полной загрузке двигателя и отклонении напряжения на + 10 % его ток незначительно отличается от Iном. При отклонении же напряжения на —10 % от Uном ток двигателя увеличивается на 10 %. Поэтому с точки зрения нагрева более опасными являются отрицательные отклонения напряжения. [8] Отклонения напряжения влияют и на надежность работы других приемников электроэнергии. Так, для дуговых печей сопротивления установлено, что в зависимости от параметра регулирования уменьшение напряжения, подводимого к печному трансформатору, снижает активную мощность печи. Поэтому одним из условий повышения надежности и улучшения энергетического режима работы дуговых печей является регулирование напряжения под нагрузкой. Опыт эксплуатации показал, что при отжиге заготовок в печах сопротивления при незначительном снижении напряжения технологический процесс удлиняется, а при снижении напряжения на 10 %, процесс отжига производить невозможно. У машин точечной сварки при отклонениях напряжения ± 15 % получается 100 %-ный брак продукции. На каждый процент понижения напряжения световой поток ламп накаливания уменьшается почти на 4 %. Снижение све­тового потока ведет, в конечном счете, к снижению производительности труда. Несимметрия напряжения неблагоприятно сказывается на работе и сроке службы, а, следовательно, и на надежности АД. Так, несимметрия напряжения в 1 % вызывает значительную несимметрию токов в обмотках (до 9 %). Токи обратной последовательности накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. Известно, что при несимметрии напряжения в 4 % срок службы АД, работающего с номинальной нагрузкой, сокращается примерно в 2 раза; при несимметрии напряжения в 5 % располагаемая мощность АД уменьшается на 5 — 10 %. [8] Магнитное поле токов обратной последовательности статора синхронных машин индуцирует в массивных металлических частях ротора значительные вихревые токи, вызывающие повышенный нагрев ротора и вибрацию вращающейся части машины. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной для машины. Несимметрия напряжения не оказывает заметного влияния на работу КЛ и ВЛ, однако у трансформаторов наблюдается значительное сокращение срока службы. Токи нулевой последовательности постоянно проходят через заземлители и отрицательно сказываются на их работе, вызывая высушивание грунта и увеличение сопротивления растеканию. Несинусоидалъные режимы, обусловленные протеканием токов высших гармоник по элементам системы ЭСН промышленного предприятия, вызывают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии. Наибольшие потери имеют место в трансформаторах, двигателях и генераторах. При наличии высших гармоник в кривой напряжения более интенсивно протекает процесс старения изоляции. За счет высших гармоник тока довольно часто однофазные КЗ переходят в двухфазные в месте первого пробоя вследствие прожигания кабеля. Следовательно, высшие гармоники в кривой напряжения питающей сети приводят к сокращению срока службы силовых кабелей, повышению аварийности в кабельных сетях, увеличению числа необходимых ремонтов. Опыт эксплуатации показал, что при несинусоидальности 5 – 10 % суммарные амортизационные отчисления и стоимость текущих ремонтов кабелей возрастают на 15 – 20 %. Если силовые кабели используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского и контролируемого пунктов, то высшие гармоники тока и напряжения ухудшают работу телемеханических устройств, вызывая сбои в их работе. Кроме того, высшие гармоники вызывают ложную работу устройств РЗ, в которой используются фильтры токов обратной последовательности, до 10 % увеличивают погрешность индукционных счетчиков электроэнергии. Эксплуатация систем ЭСН отечественных и зарубежных промышленных предприятий показала, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальных режимах, часто выходят из строя в результате вспучивания или взрыва. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, обуславливающих возникновение в системе ЭСН резонансного режима на частоте одной из гармоник. К настоящему времени разработаны различные методы оценки надежности электрооборудования. Для практического применения этих методов необходимы статистические данные о работе отдельных видов электрооборудования. Эти данные должны содержать информацию, достаточную для анализа причин повреждений и отказов электрооборудования, а также для расчетов оценок надежности и выбора оптимального варианта системы ЭСН. Более полные сведения о надежности электрооборудования дает учет всех отказов, включая дефекты. Однако дефекты электрооборудования, обнаруженные при профилактическом обслуживании, не попадают в систему учета, в то время как их учет дает возможность получить информацию, необходимую для оптимизации систем профилактики и резервирования. Для достоверной количественной оценки надежности требуется надлежащая организация сбора статистических данных о повреждаемости с развернутыми формами и актами, отражающими нарушения в работе данного электрооборудования. С помощью этих данных можно установить функциональную зависимость повреждаемости от внешних условий и режимов работы (нагрузки, температуры и прочих климатических условий, частоты операций, качества применяемых материалов и т.д.). С развитием и совершенствованием договорных рыночных отношений с потребителями электрической энергии такой учёт случаев нарушения ЭСН потребуется не только для получения оценок надёжности работы электрической сети, но и для разрешения спорных вопросов по претензиям потребителей к имевшему место уровню надёжности энергоснабжения за год, который согласован и утверждён в договорных обязательствах. К числу задач, решаемых на уровне проектирования и эксплуатации электрической сети, относится: — обеспечение требуемого уровня надёжности ЭСН при перспективном планировании развитии электрической сети; — экономические аспекты надёжности ЭСН потребителей; — составление графика проведения профилактических работ на электросетевых объектах с учётом обеспечения надёжности ЭСН; — разработка политики по страхованию ответственности за нарушение договорных обязательств по надёжности ЭСН; — создание централизованного аварийного запаса материалов в электрической сети для аварийного ремонта на ВЛ; — разработка требований к поставщикам электрической энергии с позиций обеспечения надёжности ЭСН; — разработка взаимодействия органов управления электрической сетью и оперативно-диспетчерским управлением системой; — использование регулировочных возможностей потребителей энергии; — выявление «узких» мест в электрической сети и обоснование мероприятий для обеспечения надёжности ЭСН; — разработка нормативной базы для надёжности ЭСН потребителей; — выявление территориальных зон повышенной опасности для работы электрической сети. Для выбора рациональной системы ЭСН необходимы следующие основные данные, характеризующие надежность работы электрооборудования: — периодичность повреждений, неисправностей и отказов в работе электрооборудования, периодичность отказов, ложных и неправильных действий устройств защиты и автоматики; — время ликвидации аварии данного вида электрооборудования, трудозатраты и стоимость аварийно-восстановительных работ; — периодичность проведения плановых ремонтно-эксплуатационных работ, связанных с выводом электрооборудования из работы, трудозатраты и стоимость эксплуатационно-ремонтных работ. На основе собранного и обработанного статистического материала об электрооборудовании определяются экономически обоснованные показатели надежности. Последние являются исходными данными для решения задач повышения надежности систем ЭСН.