Влияние несинусоидальности напряжений на энергоэффективность системы электроснабжения металлургического предприятия



В статье автор исследует влияние высших гармоник на показатели качества электроэнергии.

Ключевые слова: несинусоидальность напряжения, фильтрокомпенсирующие устройства, качество электроэнергии

Широкое применение тиристорных электроприводов, выпрямительных электролизных установок, мощных электродуговых печей, прокатных станов и других потребителей электроэнергии с резкопеременной нагрузкой и несинусоидальным током сопровождается большим потреблением реактивной мощности и искажением питающего напряжения. К таким потребителям относятся, прежде всего, металлургические заводы, химические предприятия, предприятия цветной металлургии и т. п.

Энергоэффективность систем электроснабжения подразумевает рациональное и эффективное использование мощности, потребляемой от источников электроэнергии при сохранении параметров качества сети, доставляющих питание промышленным и бытовым потребителям. В металлургической отрасли проблема повышения энергоэффективности становится всё более актуальной в условиях глобальной конкуренции. Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность работы системы электроснабжения (СЭС), является качество электроэнергии, которое зачастую нарушается вследствие присутствия в электрической сети высших гармоник.

Уровень гармонических составляющих в сети определяется по показателям качества электроэнергии согласно ГОСТ 32144–2013 [2], а точнее по отклонению значения коэффициента n –ой гармонической составляющей напряжения и суммарному коэффициенту гармонических составляющих напряжения , %, которые определяются по формулам (1) и (2) соответственно:

	(1)
	(2)

где действующее значение напряжения n-й гармоники, В, — действующее значение напряжения 1-й (основной) гармоники, В.

Источниками высших гармоник тока являются электроприемники с нелинейной вольтамперной характеристикой. Распространение высших гармоник по электрической сети вызывает падение напряжения от соответствующих гармоник на участках сети и искажения синусоидальной формы кривой напряжения в узлах сети, отсюда и возникает несинусоидальность напряжения. Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим ВГ тока в сеть, являются [3 с.29]:

— статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т. д.);

— газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

— электродуговые печи постоянного и переменного тока;

— сварочные аппараты;

— устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;

Наличие высших гармоник напряжения приводит к серьезным проблемам у потребителей электроэнергии:

— ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей и, как следствие, снижение сроков работы оборудования за счет его более быстрого износа;

— происходят сбои в работе производства из-за нарушений в системах управления, повреждения технологического оборудования;

— увеличиваются потери электроэнергии в сетях;

— происходит регулярное выведение из строя дугогасящих реакторов;

— чрезмерный нагрев кабелей и трансформаторов, что может привести к выходу из строя всей системы;

— ухудшение или нарушение работы устройств автоматики связи;

— выход из строя устройств компенсации реактивной мощности, перегруженных токами высших гармоник;

— увеличение погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии и, таким образом, неполный учет потребляемой ЭЭ.

Все перечисленные неблагоприятные последствия приводят к увеличению числа аварий в энергосистеме, а как следствие и к увеличению затрат на эксплуатацию энергетического оборудования.

Рассмотрим влияние несинусоидальности напряжения, вызываемой статическими преобразователями, на сеть литейного цеха металлургического предприятия. При помощи программного комплекса SiminTech смоделируем действующую систему электроснабжения исследуемого объекта и на осциллограф выведем графики фазного напряжения на нелинейной нагрузке. Результаты измерений представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Осциллограмма фазного напряжения

Из графика мы видим, что вследствие протекания гармонических составляющих в сети графики напряжения на фазах не симметричны, при чем максимальное значение напряжения — 334 В, а минимальное — 313 В. Отклонение между максимальным и минимальным значением 7 %. В таблицу 1 сведем значения гармонических составляющих 5, 7 и 11 порядка.

Таблица 1

Значения гармонических составляющих напряжения сети

U1, В	U5, %	U7, %	U11, %
389,64	6,99	6,15	3,85

По данным табл. 1 рассчитаем коэффициент 5, 7 и 11–ой гармонической составляющей напряжения и суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения по формулам (1) и (2) соответственно. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения

, %	, %	, %	, %
12,15	6,99	6,15	3,85

Согласно ГОСТ 32144–2013 предельно допустимый уровень гармонических составляющих напряжения составляет 8 %. Исходя из полученных данных делаем вывод о том, что уровень гармонических составляющих напряжения исследуемого объекта превышает допустимую норму в 1,5 раза.

Для снижения уровня гармонических составляющих в дальнейшем планируется установка фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ). При выборе ФКУ следует учесть преимущества и недостатки активных и пассивных фильтров. Так как активные фильтры более эффективны при широком спектре гармоник, имеют высокую точность и стабильность работы, меньшие размеры в сравнении с пассивными фильтрами, примем для дальнейшей установки именно их.

Таким образом, мы убедились, что преобразователи оказывают значительное влияние на систему электроснабжения, оказывая негативное влияние на качество электроэнергии СЭС, тем самым вызывая дополнительные потери электроэнергии, ускоренное старение изоляции электрооборудования и сокращение его срока службы.

Литература:

1. Нейман В. Ю. Теоретические основы электротехники в примерах и задачах. Часть 4. Линейные электрические цепи несинусоидального тока: 62 учебное пособие / В. Ю. Нейман; Новосибирский государственный технический университет. — Новосибирск: НГТУ, 2011. — 182 с. — ISBN 978–5-7782–1821–5
2. ГОСТ 32144–2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения, ГОСТ от 22 июля 2013 года № 32144 2013.
3. Чернова, Н. В. Методики определения потерь электроэнергии в системах электроснабжения напряжением до 10 кВ // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук — Казань, 2006.