Исследование качества электроэнергии

Контрольная работа состоит из пояснительной записки, выполненной в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2016, на 23 страницах машинописного текста, включая 3 иллюстраций и 5 литературных источников.
Целью контрольной работы является изучение видов помех, рассмотрение соотношений между показателями, характеризующими несинусоидальность токов и напряжений для идеального резистора, а также исследование влияния отклонений напряжения на работу электроприемников.
Задачами работы является рассмотрение видов помех, влияния отклонений напряжения на работу электроприемников, а также изучение и описание соотношений между показателями, характеризующими несинусоидальность токов и напряжений для идеального резистора.
Во введении рассматриваются понятия электромагнитной обстановки, надежность работы энергетических и промышленных объектов, источники и виды электромагнитных помех.
В первом разделе приводится классификация помех.
Во втором разделе описывается влияние отклонений напряжения на работу электроприемников.
Третий раздел включает в себя описание соотношений между показателями, характеризующими несинусоидальность токов и напряжений для идеального резистора.
В четвертом разделе описывается влияние несинусоидальности напряжения на электрооборудование.
В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения контрольной работы.
Надежность работы энергетических и промышленных объектов во многом определяется надежностью работы электронной (сейчас, как правило, цифровой) аппаратуры защиты, автоматики, связи и т.п. Специфика современных объектов такова, что устанавливаемая на них электронная аппаратура часто подвергается воздействию высоких уровней электромагнитных помех. В данной статье под помехой понимается любое явление электромагнитной природы, способное негативно влиять на работу аппаратуры.
Совокупность уровней помех на конкретном объекте называется электромагнитной обстановкой (ЭМО). Следует отметить большой разброс параметров ЭМО (например, уровней помех при коммутационных операциях) на различных объектах.
Электромагнитные помехи различают по их источникам – естественным и искусственным. Последние принято делить на преднамеренные и непреднамеренные.
Непреднамеренная помеха – это любая помеха искусственного происхождения, не предназначенная для нарушения функционирования аппаратуры. Непреднамеренные помехи могут быть излучаемыми и наводимыми в проводниках. Электромагнитные помехи могут серьезно ухудшить качество функционирования силовой и электронной аппаратуры, вплоть до полной невозможности выполнить им свою основную функцию.
Электромагнитные помехи – нежелательное физическое явление или воздействие электрических, магнитных или электромагнитных полей, электрических токов или напряжений внешнего или внутреннего источника, которое нарушает нормальную работу технических средств, или вызывает ухудшение технических характеристик и параметров этих средств.
1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХПомехи могут быть обусловлены как естественными, так и техногенными причинами.
К естественным источникам помех относятся помехи, возникающие из-за электромагнитных процессов в околоземном пространстве, например, грозовые разряды и разряды статического электричества, изменение электромагнитной обстановки на Земле в результате взаимодействия полей в околоземном пространстве с изменяющимся потоком заряженных частиц от Солнца и других космических объектов.
К искусственным, индустриальным источникам помех относятся разнообразные электроэнергетические, электротехнические, радиотехнические и иные устройства, использующие электрическую энергию.
Искусственные помехи изучаются с целью управления ими для ограничения и учета их влияния или отстройки от них.
Естественные помехи воспринимаются как данны2е природой, которые надо учитывать при проектировании и эксплуатации технических средств [1].
В целях системного подхода ТК 77 МЭК установил классификацию электромагнитных явлений, которые представлены ниже. Данная классификация также была принята ТК 210 CENELEC.
Кондуктивные низкочастотные электромагнитные явления:
Гармоники, интергармоники.
Системы передачи сигналов по сетям электроснабжения.
Колебания напряжения.
Провалы и прерывания напряжения.
Разбаланс напряжения (в многофазных сетях).
Изменения частоты электропитания.
Наведенные низкочастотные напряжения.
Постоянный ток в сетях переменного тока.
Низкочастотные электромагнитные явления в виде полей излучения:
Магнитные поля.
Непрерывные.
Переходные.
Электрические поля.
Кондуктивные высокочастотные электромагнитные явления:
Непосредственно введенные или наведенные напряжения или токи.
Незатухающие колебания.
Модулируемые волны.
Однонаправленные переходные процессы.
Колебательные переходные процессы.
отдельные или повторяющиеся (пачки).
Высокочастотные электромагнитные явления в виде полей излучения математический спектральный ядерный разряд:
Магнитные поля.
Электрические поля.
Электромагнитные поля.
Незатухающие колебания.
Модулируемые волны.
Переходные процессы.
2 ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВЗначительное влияние напряжения сети на работу электроприемников заставляет уделять большое внимание поддержанию напряжения на зажимах потребителей, близкого к номинальному напряжению. Подводимое к потребителям напряжение является одним из качественных показателей электроэнергии.
Изменения напряжения в сети можно классифицировать следующим образом:
1. Медленно протекающие изменения напряжения, которые обычно и бывают при работе сети. Эти изменения называются отклонениями напряжения. Отклонения напряжения определяются как разность действительного напряжения на зажимах электроприемников и номинального напряжения. Отклонения напряжения могут быть отрицательными и положительными величинами. Первым соответствуют понижения напряжения по отношению к номинальному, вторым - повышения напряжения. Отклонения напряжения в электрических сетях обусловливаются изменениями нагрузок сети, режимов работы электростанций и т. д.
2. Быстро протекающие изменения напряжения вследствие аварий в электрических системах и других причин. В качестве примеров можно указать на короткие замыкания, качание машин, включение и отключение одного из элементов установки и т.п. Быстро протекающие изменения называются колебаниями напряжения.
Все приемники электрической энергии конструируются для работы при определенном номинальным напряжении. Отклонения напряжения от номинального на их зажимах ведет к ухудшению работы электроприемников.
Изменение основных характеристик ламп накаливания в зависимости от напряжения на их зажимах дано на рис. 1.
Рисунок 1 – Характеристики ламп накаливания: 1 - световой поток, 2 - светоотдача, 3 - срок службы (цифры на ординате для кривых 1 и 2).
Приведенные кривые показывают большое влияние напряжения на работу ламп накаливания. Например, снижению напряжения на 5% соответствует уменьшение светового потока на 18%, а понижение напряжения на 10% вызывает снижение светового потока лампы более чем на 30%.
Снижение светового потока ламп приводит к уменьшению освещенности рабочего места, в результате чего уменьшается производительность труда и ухудшаются качественные показатели.
Плохое освещение рабочих мест, проходов, улиц и т. д. увеличивает количество несчастных случаев с людьми. Понижение напряжения ухудшает к. п. д. ламп накаливания. Снижение напряжения на 10% уменьшает световую отдачу лампы (лм/м/вт) на 20%.
Повышение напряжения сети приводит к увеличению к. п. д. ламп. Но повышение напряжения влечет за собой резкое уменьшение срока службы ламп. При повышении напряжения на 5% срок службы ламп накаливания уменьшается вдвое, а при повышении на 10% - более чем в 3 раза.
Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения сети. Отклонения напряжения на 1 % в среднем вызывают изменение светового потока лампы на 1,25%.
У бытовых нагревательных приборов (плитки, утюги и т. п.) нагревательные элементы состоят из активных сопротивлений. Мощность, отдаваемая ими в зависимости от напряжения сети, выражается уравнением:
P = I2R = U2/R.
показывающим, что снижение напряжения сети вызывает резкое уменьшение мощности, отдаваемой нагревательным прибором. Последнее приводит к значительному увеличению времени работы прибора и перерасходу электроэнергии на приготовление пищи и т. д.
Характеристики всех других бытовых электроприборов также зависят от подведенного напряжения. При изменениях напряжения на зажимах электродвигателей изменяются вращающий момент, потребляемая мощность и срок службы изоляции обмоток, приложенного к их зажимам напряжения. Если момент двигателя при номинальном напряжении принять за 100%, то при напряжении 90%, например, вращающий момент составит 81%. Сильное снижение напряжения может даже привести к остановке электродвигателей или невозможности пустить электродвигатель, приводящий в движение машину с тяжелыми условиями пуска (подъемники, дробилки, мельницы и т. д.). Недостаточные (вращающие моменты электродвигателей могут явиться причиной брака продукции, порчи полуфабриката и т. п.
Зависимости изменения потребляемой электродвигателями мощности от напряжения при стационарном режиме работы системы называются статическими характеристиками электрической нагрузки потребителей [2].
При понижении напряжения активная мощность, потребляемая электродвигателем, уменьшается вследствие уменьшения вращающего момента и связанного с этим увеличения скольжения.
Увеличение скольжения вызывает возрастание потерь активной мощности в двигателе. При увеличении напряжения скольжение уменьшается и необходимая для привода механизма мощность увеличивается. Потери активной мощности в электродвигателе уменьшаются.
Анализ показывает, что активная нагрузка от электродвигателей при изменениях напряжения, соответствующих нормальным режимам работы системы, меняется незначительно и потому может приниматься постоянной.
Изменение реактивной нагрузки электродвигателей от напряжения зависят от соотношения реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности рассеяния двигателей. Реактивная мощность намагничивания изменяется примерно пропорционально четвертой степени напряжения. Реактивная мощность рассеяния, зависящая от тока электродвигателей, изменяется обратно пропорционально примерно второй степени напряжения.
При снижениях напряжения против номинального (до некоторой величины) реактивная нагрузка электродвигателей всегда снижается. Объясняется это тем, что реактивная мощность намагничивания, составляющая до 70% всей реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, снижается быстрее, чем увеличивается реактивная мощность рассеяния.
Зависимости потребления реактивной мощности от напряжения сети для некоторых потребителей приведены на рис. 2.
Рисунок 2 – Статические характеристики электрических нагрузок: 1 - бумажный комбинат, cosφ = 0,92, 2 - металлообрабатывающий завод, cosφ = 0,93, 3 - текстильная фабрика, cosφ = 0,77.
Эти кривые – статические характеристики электрических нагрузок потребителей в целом, т. е. с учетом влияния на них трансформаторов, освещения и т. д.
Кривая 1 бумажного комбината идет очень круто. Чем меньше загрузка двигателей и чем выше коэффициент мощности их при номинальном напряжении, тем круче идет кривая зависимости потребляемой реактивной мощности от напряжения сети. Длительное снижение напряжения на 10% на зажимах электродвигателей при полной их загрузке приводит вследствие более высокой температуры обмоток к износу изоляции двигателей примерно вдвое скорее, чем при номинальном напряжении.
Каждый приемник электроэнергии спроектирован для работы при номинальном напряжении и должен обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную ГОСТ величину. При изменении напряжения в пределах этого рабочего диапазона могут изменяться значения вы­ходного параметра приемника электроэнергии, например, температура в электротермической установке, освещенность у электроосветительной установки, полезная мощность на валу электродвигателя и т.д.
Одновременно с изменением выходных параметров, а в ряде случаев даже когда выходные параметры не изменяются, изменение напряжения приводит к изменению потребляемой приемником электроэнергии мощности.
Работа электротермических установок при значительном снижении напряжения существенно ухудшается, так как увеличивается длительность технологического процесса.
Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением 0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект активной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряжения приводит к перерасходу электроэнергии.
Индукционные плавильные печи промышленной частоты и по­вышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.
Вентильные преобразователи обычно имеют систе­му автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регулирования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем. Регулирующие эффекты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизером для активной мощности 3,5; для реактивной мощности 7,6.
Электросварочные установки переменного тока ду­говой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 – для дуговой сварки и 0,7 – для контактной. При снижении напряжения до 0,9UНОМ время сварки увеличивается на 20 %, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1)UНОМ возникает брак сварных швов [3].
Электрохимические и электролизные установки работают на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8... 0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению производительности, а повышение напряжения – к недопустимому перегреву ванн электролизера.
3 СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПОКАЗАТЕЛЯМИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИМИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ИДЕАЛЬНОГО РЕЗИСТОРАВ промышленных сетях идеальных синусоид тока и напряжения практически не бывает. Возникающие искажения и пульсации напряжения, а также перекосы фаз связаны с несимметричной нагрузкой и присутствием нелинейных элементов (элементы со стальными сердечниками, выпрямительные установки, вентильные элементы, электрические дуговые печи).
Несинусоидальные токи и напряжения можно представить в виде суммы синусоидальных напряжений и токов при помощи разложения в ряд Фурье с ограничением числа членов.
На практике для выбора и оценки различных электротехнических устройств, при расчетах и измерениях в электрических цепях с периодическими токами и напряжениями любой формы в качестве одной из основных характеристик пользуются действующим значением.
Действующее значение ЭДС (напряжения) и тока: