Влияние изменения частоты на работу электрических систем

Для электроэнергии основные показатели качества: напряжение и частота, для тепловой энергии: давление, температура пара и горячей воды. Частота связана с активной мощностью (Р), а напряжение с реактивной мощностью (Q).

Все вращающиеся машины и агрегаты рассчитаны таким образом, что экономический коэффициент полезного действия достигается при номинальном числе оборотов в минуту: n = 60f/p ,

где: n — число оборотов в минуту, f — частота тока в сети, p — число пар полюсов.

Частота переменного тока , вырабатываемая генераторами, есть функция числа оборотов турбины. Число оборотов механизмов — функция частоты.

На рис. 1 представлены относительные статические характеристики нагрузки для энергосистемы по частоте.

Анализ зависимостей на рис.1 показывает, что при уменьшении частоты снижается число оборотов двигателя, снижается производительность машин и механизмов.

1. Текстильная фабрика дает брак при изменении частоты от номинальной, т к. изменяется скорость движения нити и станки дают брак.

2. Насосы (питательные), вентиляция (дымососы) тепловых электростанций зависят от числа оборотов: давление пропорционально « n 2 », потребляемая мощность « n 3 », где n — число оборотов в минуту;

3. Активная мощность нагрузки синхронных двигателей пропорциональна частоте (при снижении частоты на 1%, активная мощность нагрузки синхронного двигателя уменьшается на 1%);

4. Активная мощность нагрузки асинхронных двигателей уменьшается на 3% при снижении частоты на 1%;

5. Для энергосистемы снижение частоты на 1% приводит к уменьшению суммарной мощности нагрузки на 1-2%.

Изменение частоты влияет на работу самих электростанций. Каждая турбина рассчитана на определенное число оборотов, то есть при падении частоты снижается вращающий момент турбины. Падение частоты влияет на собственные нужды электростанции и в результате может наступить нарушение работы агрегатов станции.

При понижении частоты из-за нехватки активной мощности снижается нагрузка потребителей, чтобы поддержать частоту на прежнем уровне . Степень изменения нагрузки при изменении частоты на единицу называется регулирующим эффектом нагрузки по частоте . Процесс нарушения устойчивой работы электростанции из-за падения частоты и при отсутствии резерва активной мощности называется лавиной частоты.

Если f =50 Гц, критическая частота при которой производительность основных механизмов собственных нужд электростанций снижается до нуля и наступает лавина частоты — 45 — 46 Гц.

При падении частоты снижается э.д.с. генератора (т.к. понижается скорость возбудителя) и снижается напряжение в сети.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Причины отклонения частоты в электрических системах

Как известно из курса ТОЭ, в нормальном установившемся режиме суммарная мощность вырабатываемая всеми генераторами электрической системой должна быть точно ровна суммарной мощности всех электроприемников подключенной к системе в данный момент. В этом случае, скорость вращения генераторов системы (а все они вращаются синхронно), а следовательно, и частота в электросистеме, должна оставаться постоянной и равной номинальной −50 Гц (в США, Японии и ряде других стран 60 Гц).

Всякое нарушение баланса между вырабатываемой и потребляемой мощностями вызывает изменение скорости вращения генераторов т. е. частоты в системе.

При аварийном отключении одного (нескольких) генераторов или подключении мощных нагрузок в системе возникает дефицит активной мощности. Электрическая нагрузка (их отдаваемый ток) на оставшиеся в работе генераторы возрастает. При этом турбины этих генераторов начинают тормозиться, что приводит к понижению частоты в системе.

Автоматические регуляторы частоты (АРЧ) увеличивают подачу пара в турбины (или воды в гидротурбины) и их обороты (мощность) увеличиваются, соответственно увеличивается до номинальной и частота напряжения вырабатываемая исправными генераторами.

Такое поддержание частоты возможно только при наличии резерва активной мощности в генераторах, то есть, если генераторы до рассматриваемого момента были частично не догружены. Если же все резервы по мощности будут исчерпаны, системе не удается восстановить частоту.

При отключении мощных нагрузок, с системе появляется избыточна генерируемая мощность, т. к. мощность вырабатываемая турбинами генераторов в первый момент остается неизменной, что приводит к повышению их оборотов и, соответственно, частоты в системе. При этом вступают в действие регуляторы скорости паровых турбин, которые несколько уменьшают подачу пара (в гидравлических турбинах – подачу воды) снижая тем самым вырабатываемую генератором мощность до достижения нового баланса мощности в системе.

Регуляторы скорости вращения паровых турбин работают достаточно быстро, поэтому сброс нагрузки проводит к незначительному возрастанию частоты и быстрому ее восстановлению до номинального значения. В гидравлических турбинах регуляторы действуют медленнее и у них скорость вращения (частота) может повыситься до 120 – 140 %.

19) Влияние отклонения частоты на работу электроприемников, требования нормативных документов к отклонениям частоты.

Влияние отклонения частоты на работу электроприемников и электросистемы

Незначительныеснижения частоты (на несколько десятых герца) не представляет серьезной проблемы для электросистемы, но такое понижение частоты не благоприятно отражается на работе потребителей. С понижением частоты снижается скорость вращения электродвигателей (особенно асинхронных) и, соответственно, производительность приводимых ими в движение механизмов.

На отдельных предприятиях отклонение частоты от номинальной может привести к нарушению технологии производства, снижение частоты на 3 – 5% нарушает работу радиооборудования и ряда автоматических устройств управления. При снижении частоты резко возрастает реактивная мощность трансформаторов и вращающихся машин, что снижает экономичность работы электрических сетей.

Крайне отрицательно влияет снижение частоты на работу тепловых электростанций. Так, например снижение частоты на 3 – 5 Гц влечет уменьшение на 20 – 40 % подачу воды в конденсатор циркуляционными насосами. Это ведет к уменьшению располагаемой мощности (мощности которую может генерировать) станции, что в свою очередь ведет к дальнейшему падению частоты в системе. Это опасное явление получило название «лавина частоты».

Требования нормативных документов к устройствам АЧР

Согласно ПУЭ [11] устройство автоматического ограничения снижения частоты должно исключить работу электросистемы при частотах ниже 45 Гц, время работы с частотой ниже 47 Гц не должно превышать 20 с, а с частотой ниже 48,5 Гц – 60 с.

ГОСТ по качеству электроэнергии [8] нормирует следующие отклонения частоты:

— нормально допустимые отклонения (в нормальном режимах работы)

— максимально допустимые отклонения (в послеаварийном режимах)

Принцип действия АЧР, категории и очереди АЧР

Принцип действия АЧР

Аварийное снижение частоты, вызванное внезапным значительным дефицитом активной мощности имеет быстротечный характер – несколько секунд. Поэтому парировать это снижение может только автоматика. Первоначально, автоматика задействует все резервы активной мощности в системе. Исправные генераторы системы берут на себя максимум нагрузки (с учетом допустимых кратковременных перегрузок).

Если после этих действий автоматики частота продолжает снижаться (что свидетельствует о не устраненном дефиците активной мощности) остается единственный способ уравнять величины генерируемой и потребляемой мощностей – отключить часть наименее ответственных электроприемников.

Такие отключения осуществляются специальными устройствами электроавтоматики – автоматами частотной разгрузки – АЧР.

Устройства АЧР, как правило, устанавливаются на подстанциях электросистемы, допускается их установка непосредственно у потребителей, но под контролем электросистемы [8].

ПУЭ [8] подразделяет устройства АЧР на две категории: АЧРI и АЧРII.

Первая категория – АЧРI предназначена для не допущения глубокого снижения частоты в первоначальный момент развития аварии. Эти устройства выполняются быстродействующими (с выдержками времени t_АЧР ≤ 0,5 с) и уставками срабатывания по частоте от 47 – 48 Гц до 46 – 46,5 Гц. Для реализации АЧРI потребители отключаются небольшими группами, согласно очередности. Электроприемники первой очереди отключаются, например, при снижении частоты ниже 48 Гц. Если снижение частоты будет продолжаться отключаются электроприемники второй очереди с уставкой 47,5 Гц, далее – третьей, с уставкой 47 Гц. Минимальное отличие в уставках частоты ближайших очередей принимают равным 0,1 Гц. АЧРI оборудуется примерно 75 – 80% всей электрической нагрузки оснащаемой АЧР.

Вторая категория – АЧРII предназначена для восстановления частоты в случае если она длительно остается пониженной, образно говоря «зависает» на уровне около 48 Гц. Уставки по частоте АЧРII принимают одинаковыми и на 0,5 Гц выше верхней уставки АЧРI. В отличии от АЧРI в работу АЧРII вводятся значительные выдержки времени в диапазоне 15 – 90 с отличающиеся друг от друга на 5 с. Такие относительно большие выдержки необходимы для подключения резервов мощности, в частности, запуска гидрогенераторов. Устройствами АЧРII оснащается примерно 20 – 25 % всей электрической нагрузки оснащаемой АЧР.

21) Эл.схема устройства АЧР на электромеханических реле, работа схемы.

На рис. 7.1 приведена схема устройства АЧР на постоянном оперативном токе с использованием электромеханических или электронных реле.

Основным элементом схемы является реле частоты KF (электромеханическое типа ИВЧ-3 индукционного принципа действия или электронное типа УРЧ-3М). Реле KF контролирует частоту первичной сети через измерительный трансформатор напряжения TV. При снижении частоты ниже уставки, реле KF замыкаетсвой контакт в цепи реле времени KT. Напряжение постоянного оперативного тока, вырабатываемое блоком питания UGV (например типа БПЗ-401), подается на обмотку реле времени KT (типа ЭВ-100 или ВЛ-68). Последнее, через заданную выдержку времени замкнет свой контакт KT в цепи обмоток указательного реле KH (типа РУ-21) и промежуточного реле KL (типа РП-23). Подробное описание названных реле приведено в лабораторной работе 1 и 2.

Промежуточное реле замыкает свои контакты KL1 и KL2, посылая команды отключения на приводы выключателей Q1 и Q2. Выключатели срабатывают, отключая присоединенные через них электроприемники. Замкнувшиеся контакты KL3 формируют команду на запрет АПВ. Срабатывание указательного реле KH сигнализирует обслуживающему персоналу о фактесрабатывания устройства АЧР.

Источник

Негативные явления в электросети — их влияние на нагрузку и способы борьбы

В данной статье будут рассмотрены общие принципы функционирования электросети, негативные процессы, происходящие на линиях электроснабжения и различные методы защиты оконечного оборудования.

Единая энергосистема

Почти все электростанции России объединены в единую федеральную энергосистему, которая является источником электрической энергии для большинства потребителей. Важнейшим и обязательным компонентом любой электростанции является трехфазный турбогенератор переменного тока. Три силовые обмотки генератора индуцируют линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Ротор генератора вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту, а линейные напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе. Фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам. Частота переменного тока на выходе генератора зависит скорости вращения ротора, и в номинале составляет 50 Гц.

Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Именно такое напряжение (фазное 220 В) подается в жилой сектор. Линейное напряжение 380 В используется для питания мощного промышленного оборудования. Генератор выдает напряжение в несколько десятков киловольт. Для передачи электроэнергии, с целью уменьшения потерь, напряжение повышают на трансформаторных подстанциях и подают в Линии Электропередачи (далее ЛЭП). Напряжение в ЛЭП составляет от 35 кВ для линий малой протяженности, до 1200 кВ на линиях протяженностью свыше 1000 км. Напряжение повышают с целью уменьшения потерь, которые напрямую зависят от силы тока. С другой стороны, напряжение ограничивается возможностью изоляции воздуха для ЛЭП и диэлектрика кабеля для кабельных линий. Достигнув крупного потребителя (завод, населенный пункт) электроэнергия опять попадает на трансформаторную подстанцию, где трансформируется в 6–10 кВ, которые уже пригодны для передачи по подземным кабелям. У каждого многоквартирного жилого дома, или административного здания стоит трансформаторная подстанция, которая выдает на выходе предназначенные для потребителя 380 В линейного напряжения и, соответственно, 220 В фазного. В подстанцию типично заводят два или три высоковольтных кабеля, что позволяет оперативно восстановить электроснабжение, в случае повреждений на высоковольтном участке трассы. В зависимости от вида подстанции, это может происходить автоматически, полуавтоматически — по команде диспетчера с центрального пульта, и вручную — приезжает аварийка и электрик переключает рубильник. Подстанция также может выполнять функцию регулятора напряжения, переключая обмотки трансформатора, в зависимости от нагрузки. В России на подстанциях применяют схему с заземленной нейтралью, то есть нейтральный (часто называемый нулевым) провод заземлен. По зданию разводка кабеля происходит пофазно, как с целью распараллеливания нагрузки, так и с целью удешевления оборудования (счетчиков, автоматов защиты). Подстанция в сельской местности и для небольших домов представляет собой обычно трансформаторную будку или просто трансформатор внешнего исполнения. Именно поэтому, на исправление аварии в таком месте отводятся сутки. Автоматической регулировки напряжения такие подстанции не имеют, и выдают номинал обычно в часы минимальных нагрузок, в остальное время занижая напряжение.

Нормы качества для электросетей

Документом, устанавливающим нормы качества электроэнергии в России, является ГОСТ 13109-97 принятый 1 Января 1999г. В частности, в нем установлены следующие «нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения«.

Параметр	Номинал	Предельно
Напряжение, V	220V ±5%	220V ±10%
Частота, Hz	50 ±0,2	50 ±0,4
Искажения, %	8	12
Провалы, сек	3	30
Перенапряжения, V	280	380

Таким образом, даже при нормальном функционировании электросети использование устройств ИБП для компьютерной техники является обязательным, как для защиты целостности данных, так и для обеспечения исправности оборудования. С точки зрения электроснабжения, все потребители делятся на три категории. Для наиболее массовой категории наших читателей, проживающих в домах с числом квартир более восьми или работающих в офисных зданиях с числом сотрудников более 50 актуальна вторая категория. Это означает максимальное время устранения аварии один час и надежность 0,9999. Третья категория характеризуется временем устранения аварии 24 часа и надежностью 0,9973. Первая категория требует надежности 1 и временем устранения аварии 0.

Виды негативных воздействий в электросети

Все негативные воздействия в электросети делятся на провалы и перенапряжения.

Импульсные провалы обычно вызываются перегрузкой оконечных линий. Включение мощного потребителя, такого как кондиционер, холодильник, сварочный аппарат, вызывает кратковременную (до 1-2 с) просадку питающего напряжения на 10–20%. Короткое замыкание в соседнем офисе или квартире может вызвать импульсный провал, в случае, если вы подключены к одной фазе. Импульсные провалы не компенсируются подстанцией и могут вызывать сбои и перезагрузки компьютерной и другой насыщенной электроникой техники.

Постоянный провал, то есть постоянно или циклично низкое напряжение обычно вызвано перегрузкой линии от подстанции до потребителя, плохим состоянием трансформатора подстанции или соединительных кабелей. Низкое напряжение негативно отражается на работе такого оборудования как кондиционеры, лазерные принтеры и копиры, микроволновые печи.

Полный провал (блекаут), это пропадание напряжения в сети. Пропадание до одного полупериода (10 мс) должно по стандарту выдерживать любое оборудование без нарушения работоспособности. На подстанциях старого образца переключения регулятора напряжения или резерва могут достигать нескольких секунд. Подобный провал выглядит как «свет мигнул». В подобной ситуации все незащищенное компьютерное оборудование «перезагрузится» или «зависнет».

Перенапряжения постоянные — завышенное или циклично завышенное напряжение. Обычно является следствием так называемого «перекоса фаз» — неравномерной нагрузки на разные фазы трансформатора подстанции. В этом случае на нагруженной фазе происходит постоянный провал, а на двух других постоянное перенапряжение. Перенапряжение сильно сокращает срок службы самого разного оборудования, начиная от лампочек накаливания… Вероятность выхода из строя сложного оборудования при включении значительно увеличивается. Самое неприятное постоянное перенапряжение — отгорание нейтрального провода, нуля. В этом случае напряжение на оборудовании может достигать 380 В, и это практически гарантирует выход его из строя.

Временное перенапряжение бывает импульсным и высокочастотным.

Импульсное перенапряжение может происходить при замыкании фазовых жил силового кабеля друг на друга и на нейтраль, при обрыве нейтрали, при пробое высоковольтной части трансформатора подстанции на низковольтную (до 10 кВ), при попадании молнии в кабель, подстанцию или рядом с ними. Наиболее опасны импульсные перенапряжения для электронной аппаратуры.

Высокочастотное перенапряжение характеризуется наличием в силовом кабеле паразитных колебаний высокой частоты. Может нарушить работу высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры.

Способы противодействия негативным воздействиям

В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.

Вид негативного воздействия	Следствие негативного воздействия	Рекомендуемые меры защиты
Импульсный провал напряжения	Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах.	Качественные блоки питания. Онлайн ИБП
Постоянный провал (занижение) напряжения	Перегрузка оборудования содержащего электромоторы. Неэффективность электрического отопления и освещения.	Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Импульсные блоки питания.
Пропадание напряжения	Выключение оборудования. Потеря данных в компьютерных системах.	Батарейные ИБП любого типа, для предотвращения потерь данных. Автономные генераторы, при необходимости обеспечения бесперебойности работы оборудования.
Завышенное напряжение	Перегрузка оборудования. Увеличение вероятности выхода из строя.	Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения.
Импульсные перенапряжения	Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. Выход оборудования из строя.	Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения.
Высокочастотные перенапряжения.	Нарушения в работе высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры.	Сетевые фильтры с ФНЧ. Развязывающие трансформаторы.
Перекос фаз (разница фазного напряжения)	Перегрузка трехфазного оборудования.	Выравнивания нагрузки по фазам. Содержание в исправности силовой кабельной сети.
Отклонение частоты сети	Нарушение работы оборудования с синхронными двигателями и изделий зависящих от частоты сети.	Онлайн ИБП. Замена устаревшего оборудования.

Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.

Источник