IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение. Качество электроснабжения и условия использования энергии зависят от различных факторов, включая сопротивление электрических сетей, а также влияние некоторых видов оборудования и использования энергии на характеристики энергоснабжения. В энергетических системах крайне желательны стабильность напряжения, а также отсутствие искажений формы волн. В национальных сетях электроэнергия передается по высоковольтным линиям в виде синусоидальных волн напряжения и силы тока с частотой 50 Гц, причем одновременно передаются три волны (фазы), сдвинутые друг относительно друга на 120°. Высокое напряжение применяется с целью минимизации потерь при передаче. В зависимости от используемого оборудования, при входе на объект потребителя или вблизи конкретной установки осуществляется понижение напряжения. Как правило, напряжение для промышленных потребителей понижается до 380 В, а для домохозяйств, офисов и т. п. – до 220 В.

Установка конденсаторов в цепях переменного тока непосредственно перед индуктивными элементами для компенсации реактивной составляющей потребляемой электрической энергии. Генератор переменного тока вырабатывает два вида электрической энергии – активную и реактивную. Активная энергия расходуется в электрических печах, лампах, электрических машинах и иных потребителях, переходя в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую. Реактивная же энергия не расходуется потребителями и возвращается по питающей линии к генератору. Это влечет рост тока, протекающего по электрической сети, и соответственно требует увеличения площади сечения питающих проводов. Примеры индуктивных сопротивлений: однофазные и трехфазные электродвигатели переменного тока; приводы с полупроводниковыми преобразователями; трансформаторы; разрядные лампы высокой интенсивности.

При работе всех этих устройств потребляется как активная, так и реактивная электрическая мощность. Активная мощность преобразуется в полезную работу, в то время как реактивная мощность расходуется на создание электромагнитных полей, наличие которых является необходимым условием для работы электродвигателей и трансформаторов. Реактивная мощность совершает периодические колебания между генератором и нагрузкой (с частотой источника). Полная мощность рассчитывается как геометрическая сумма активной и реактивной мощности, представленная взаимно перпендикулярными векторами (рис. 1).

Рис. 1. Векторная диаграмма активной (P), реактивной (Q) и полной мощности (S)

Именно полная мощность определяет требования к генерирующим, сетевым и распределительным мощностям. Это обозначает, что генераторы, трансформаторы, линии электропередач, распределительное оборудование и т.д. должны быть рассчитаны на более высокую номинальную мощность, чем в том случае, если бы нагрузка потребляла только активную мощность. Потребление реактивной мощности от энергоснабжающей организации нецелесообразно, так как приводит к увеличению мощности генераторов, трансформаторов, сечения подводящих кабелей (снижение пропускной способности), а так же повышению активных потерь и падению напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети). Поэтому реактивную мощность необходимо получать (генерировать) непосредственно у потребителя. Эту функцию выполняют установки компенсации реактивной мощности (КРМ), основными элементами которых являются конденсаторы. Установки КРМ – электроприемники с емкостным током, которые при работе формируют опережающую реактивную мощность (ток по фазе опережает напряжение) для компенсации отстающей реактивной мощности, генерируемой индуктивной нагрузкой.

Правильная компенсация реактивной мощности позволяет: снизить общие расходы на электроэнергию; уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы; снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию; снизить влияние высших гармоник; подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз; добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей. Кроме того, в существующих сетях она позволяет: исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки; снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования; увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей; во вновь создаваемых сетях - уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

Проверка системы энергоснабжения на наличие высших гармоник и, при необходимости, использование соответствующих фильтров. Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму определенного количества частот кратных 50 Гц. Например 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц – 7-я гармоника. Сумма определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения и называется гармониками. Соответственно при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник. Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются субгармониками. Для примера на рисунке 2 искаженная кривая представлена как сумма фундаментальной частоты 50 Гц и суммы гармоник 5-ой (250 Гц) и 7-ой (350 Гц).

Рис. 2. Искаженная кривая = 50 Гц основная частота + 5-я гармоника (250 Гц) + 7-я гармоника (250 Гц)

Источники (усилители) гармоник: тиристорные контроллеры; частотные приводы; устройства плавного пуска двигателя; конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров); полупроводники; дуговая сварка; трансформаторы, реакторы; нелинейная нагрузка искажающая форму кривой тока, что генерирует гармоники. Гармоники генерируемые источниками не остаются в системе, а проявляются в соседних связанных электросетях и могут приводить к катастрофическим последствиям в других системах: перегрев и выход из строя трансформаторов; увеличение тока, или перегрузка током конденсаторов и шум; сбои в работе систем контроля; изменение напряжения; перегрузка вращающихся устройств; ошибки срабатывания автоматических выключателей; ошибки в коммуникационном оборудовании.

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров. В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсаторы и индуктивности и настроенные на определенную гармоническую частоту. В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

Существуют три типа фильтрации гармоник: пассивные; активные; гибридные.

Принцип действия пассивных фильтров: параллельно нелинейной нагрузке устанавливается LC-контур (состоящий из емкостей и индуктивностей), настроенный на частоту гармоники, которую необходимо подавить. Этот контур поглощает гармоники, предотвращая их попадание в распределительную сеть. Обычно пассивные фильтры настраиваются на частоту, близкую к частоте гармоники, которую необходимо подавить. Если требуется подавление нескольких гармоник, могут использоваться несколько параллельно соединенных фильтров. Принцип действия активных фильтров: они представляют собой системы силовой электроники, которые устанавливаются последовательно или параллельно нелинейной нагрузке и компенсируют гармоники тока или напряжения, потребляемые этой нагрузкой. Активные компенсаторы гармоник генерируют в распределительную сеть гармоники, потребляемые соответствующими нелинейными нагрузками, но с противоположной фазой. В результате этого ток в сети остается синусоидальным. Принцип действия гибридных фильтров: они состоят из комбинации пассивных и активных фильтров. Обладают преимуществами обоих типов фильтров и пригодны для применения в широком диапазоне мощностей и режимов работы электроустановки. Эффективность фильтров гармоник: улучшение cos (φ) в сети (уменьшаются перетоки реактивной мощности, улучшается эффективность использования электроэнергии и как следствие снижаются затраты); подавление(вытягивание) гармоник из сети; решение проблемы резонанса между индуктивностями и емкостями в системе; увеличение производительности и срока службы оборудования на производстве вследствие контроля за качеством напряжения.

Обеспечение достаточного сечения кабелей, соответствующих мощности всех потребителей. Диаметр кабелей или проводки, используемых для электроснабжения оборудования, должен быть достаточно большим, чтобы избежать избыточных потерь, связанных с сопротивлением. Системы энергоснабжения могут быть оптимизированы при помощи использования оборудования с повышенной энергоэффективностью, например, энергоэффективных трансформаторов.

Размещение оборудования, требующего большой силы тока, как можно ближе к источникам питания (например, трансформаторам). В линиях электропередач и кабелях имеют место омические потери мощности, которые (при заданной мощности) тем выше, чем ниже напряжение. Поэтому оборудование, потребляющее значительную мощность, должно находиться так близко к высоковольтной линии, как только возможно. Это означает, например, что соответствующий понижающий трансформатор должен находиться как можно ближе к энергопотребляющему оборудованию.

Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов. Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Широкое распространение трансформаторов обусловлено, в частности, тем, что электроэнергия передается и распределяется при более высоком уровне напряжения, чем уровень, необходимый для питания промышленного оборудования, что позволяет снизить потери при передаче. Как правило, трансформатор является статическим устройством, состоящим из сердечника, набранного из ферромагнитных пластин, а также первичной и вторичной обмоток, расположенных с противоположных сторон сердечника. Важнейшей характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который определяется как отношение выходного напряжения к входному. Независимо от мощности конкретного трансформатора, зависимость его КПД от коэффициента загрузки имеет максимум, находящийся в промежутке от 45 % до 75 % от номинальной загрузки. Эта особенность позволяет рассмотреть следующие варианты повышения эффективности для трансформаторной подстанции: если общая мощность, потребляемая нагрузкой, ниже уровня 40–50 % номинальной мощности трансформаторной подстанции, то в качестве меры энергосбережения целесообразно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы довести загрузку остальных до оптимальной величины; в противоположной ситуации (общая мощность, потребляемая нагрузкой, превышает 75 % номинальной мощности трансформаторной подстанции), достичь оптимального КПД трансформаторов можно лишь посредством установки дополнительных мощностей; при замене трансформаторов, исчерпавших ресурс, или модернизации трансформаторных подстанций предпочтительной является установка трансформаторов с пониженным уровнем потерь, что позволяет снизить потери на 20 – 60 %.

Результаты исследований. Практическая применимость описанных выше методов и экономический эффект от их применения зависят от масштабов и конкретных условий предприятия. Выбор мероприятий, одновременно удовлетворяющих критериям практической реализуемости и экономической эффективности, целесообразно осуществлять на основе анализа потребностей предприятия в целом. Этот анализ должен осуществляться силами квалифицированных консультантов в области электроснабжения предприятий. Итогом такого анализа должен быть перечень мероприятий, применимых в условиях конкретного предприятия, с оценкой объемов сбережения, затрат и срока окупаемости каждого мероприятия.

Список литературы:

1. Данилов О.Л. Основы энергосбережения. – М.: Изд. дом МЭИ, 2010. – 424 с.

2. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. Русская версия. – М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009. – 455 с.

3. Щелоков Я.М. Энергетическое обследование. – Екатеринбург: УрФУ, 2011. – 150 с.

4. Электронный ресурс: http://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-metodov-povysheniya-energoeffektivnosti-elektrosnabzheniya-predpriyatiy.

Код для цитирования: Скопировать