МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Звіт
З науково дослідної роботи
На тему:
Дослідження якості електричної енергшї в системах електропостачання

Зміст
Вступ
1.     Оптимізація якості електричної енергії, її значення як енергетичної проблеми
2.     Несиметрія електричних режимів, її природа, характеристика і регламентування
2.1 Синхронні генератори
2.2 Асинхронні електродвигуни
3.      Методи і засоби симетрування
3.1 Підключення до недовантажених фаз додаткових опорів для симетрування сумарного навантаження
3.2 Застосування багатофазної схеми випрямлення струму (наприклад, схеми Ларіонова)
3.3 Симетрування за допомогою фазових зрівнювачів
3.4 Використання симетруючого ефекту трифазних асинхронних двигунів
3.5 Симетрування за допомогою введення системи додаткових е.р.с
3.6 Симетрування струмів при роботі трансформаторів двома фазами
3.7 Застосування несиметричних трьохфазно-двохфазних трансформаторів
4.     Симетрування режиму на фізичній моделі системи електропостачання
Висновок
Список літератури

Анотація
Янковенко О.С. Якість електроенергії як складова задача покращення систем електропостачання.
Звіт з науково-дослідної роботи, спеціальність 6090603 – Електричні системи і мережі . - Вінниця ВНТУ, ІнЕЕЕМ, 2008.
В виконаній роботі ми розглядаємо вплив несиметричних навантажень на якість електричної енергії, визначення напруги штучної несиметрії при побудові систем автоматичного регулювання, настроювання компенсації в електричних мережах та розглядаємо вимоги до напруги штучної несиметрії і методику його визначення для компенсованих мереж при введенні штучної несиметрії.

Вступ
Проблема енергозбереження є надзвичайно актуальною не лише України, але й для всього світу; проте в Україні ця проблема є надзвичайно болючою, тому запровадження широкомаштабної політики енергозбереження є життєвонеобхідною.
До складу галузей економіки України, що недостатньо ефективно використовують енергоресурси, входить і сама енергетика. Однак з головних причин невиробничих затрат енергії в енергетиці-високі втрати в електричних мережах. В середньому в електричних мережах енергосистем і споживачів вони складають 16%. Порівняно з розвиненими країнами Західної Європи це в 1,5-2 рази більше.
Основними причинами відносно високих втрат в електричних мережах енергосистем і споживачів є:
- недостатній ступінь компенсації реактивних навантажень енергосистем і споживачів;
 - нездійснення в електричних мережах діючих підприємств і енергосистем оптимального розміщення батарей конденсаторів і оптимального управління ними.
В решті решт, вище вказані причини обумовлені відсутністю виробництва в Україні силових конденсаторів і технічних засобів управління ними, також ефективного механізма втілення оптимальної компенсації(як правило через відсутність необхідного фінансування).
Електрична енергія – один із найважливіших матеріальних продуктів суспільства, який знайшов застосування у всіх сферах людської діяльності.
Покращення якості електричної енергії у будь-якій галузі промисловості призводить до створення нормального протікання технологічних процесів, а це в свою чергу сприяє випуску запланованої кількості продукції при належній її якості, до того ж підвищення якості електричної енергії безпосередньо відображається на умовах життя та діяльності людей.
Проблема якості електроенергії знаходиться у центрі уваги багатьох дослідників і практичних працівників енергетики і електрифікації. Важливе місце тут займає пошук нових рішень цієї актуальної наукової задачі. Кінцевим результатом в цьому пошуку повинно бути упровадження передових методів оптимального планування, які знаходять все більше застосування у всіх ланках народного господарства.
У системах електропостачання промислових підприємств дуже часто зустрічаються такі приймачі електричної енергії, трифазне симетричне виконання яких або неможливе, або через низку причин недоцільне. До таких споживачів, по-перше, відноситься частина печей опору, печі графітації, більшість установок електричного зварювання тощо.
Спільне живлення однофазних і трифазних приймачів електричної енергії від трифазної чотирьохпровідної мережі має широке поширення в системах електропостачання промислових підприємств. У таких випадках практично завжди виникає несиметрія навантаження по фазах, а також значні струми в нульовому проводі. Ці фактори призводять до зниження якості напруги і є причиною народногосподарського збитку.

1.     Оптимізація якості електричної енергії, її значення як
енергетичної проблеми
Якість електроенергії істотно позначається на економічних показниках і надійності роботи електричних мереж і виробництва промислових підприємств. Маштаби електроспоживання промисловістю України і збільшення частки електроприймачів з штовховим, несиметричним режимом роботи і нелінійними характеристиками, що роблять негативний вплив на якість електроенергії, обумовлюють значимість для народного господарства країни проблеми підвищення якості електроенергії. Цим порозумівається участь у дослідженнях з даної проблеми великого числа ведучих наукових і проектних інститутів, вузів, а також енергетичних служб підприємств.
Обґрунтування поняття «якість електроенергії» має принципове значення для поліпшення якості електроенергії у системах електропостачання промислових підприємств, а також для розробки раціональної системи керування якістю.
На сучасному етапі розвитку електроенергетики це визначення якості, стосовно до електричної енергії повинне бути доповнено вимогами по забезпеченню економічності, ергономічні й естетичності процесів, зв'язаних зі споживанням електроенергії. Це повною мірою відповідає зрослим вимогам практики будівництва матеріально-технічної бази. З цього погляду природні вимоги до рівня напруги і частоті зміни його, що випливають з особливостей і зорового сприйняття людини. Естетичність будь-якого виду чи продукції електрифікованого об'єкта також зв'язана з якістю електроенергії, оскільки воно істотно впливає на світлову і колірну гаму інтер'єра, рівні шумів і вібрації й інші показники. Від якості електроенергії залежать також санітарно -гігієнічні умови, ступінь безпеки ряду робіт, економічна ефективність виробництва.
Для кількісної оцінки якості електроенергії необхідна така система одиничних чи узагальнених (інтегральних) показників, щоб якість була вимірним, порівнянним і доступним для контролю і керування.
Відповідно ГОСТ 15467—79 під показником якості розуміється кількісна характеристика властивостей продукції, розглянута стосовно до визначених умов її створення, чи експлуатації споживання. На електростанціях роблять електроенергію досить високої якості, а погіршення КЗ відбувається в процесі її передачі і споживання в результаті впливу електричних приймачів. Характерні властивості електроенергії, необхідні для визначення вимог до системи показників якості електроенергії , полягають у наступному:
1. При симетрії і синусоїдальності трифазної системи напруг і значеннях напруги і частоти, рівних чи близьких до номінального для електроустаткування, вимоги, сформульовані вище, практично цілком задовольняються. Найбільша народногосподарська ефективність може бути досягнута при деяких відступах від зазначених умов.
2. Якщо умови п. 1 не задовольняються, з'являються негативні впливи на споживачів. Ці впливи мають як загальні, так і специфічні особливості в залежності від характеру порушення, зв'язаного зі зниженням якості електроенергії. Останнє необхідно враховувати при встановленні системи показників якості електроенергії.
3. Несприятливий вплив на споживачів може виявлятися як постійно, шляхом нагромадження необоротних змін (брак чи недовідпустка продукції, старіння ізоляції й ін.), так і стрибкоподібно (відмовлення чи збої в роботі автоматичних пристроїв, вибухи батарей конденсаторів і ін.). Ця обставина свідчить про необхідність обмеження припустимих значень показників якості електроенергії, що визначають зазначені негативні впливи.
4. Електромагнітні й інші характеристики електричних систем і систем електропостачання споживачів змінюються в часі, як правило, по імовірностях законах, тому показники якості електроенергії є випадковими величинами.

2.     Несиметрія електричних режимів, її природа, характеристика і
регламентування
Несиметричним режимом роботи багатофазної електричної системи називають такий режим, при якому умови роботи однієї чи усіх фаз виявляються неоднаковими.
У багатофазних системах, наприклад трифазних, розрізняють короткочасні і тривалі (експлуатаційні) несиметричні режими.
Короткочасна несиметрія звичайно зв'язана з такими аварійними процесами, як, наприклад, короткі замикання, обрив з замиканням на землю, відключення фаз при однофазному автоматичному повторному включенні і т.д. Тривала несиметрія може виникнути при наявності несиметрії в тому чи іншому елементі системи електропередач, або при підключенні до системи несиметричних (наприклад, однофазних) навантажень.
Несиметрію, обумовлену несиметрією лінії електропередачі, називають подовжною. Нею характеризуються, наприклад, неповно-фазні режими, що виникають при пофазному ремонті лінії чи електропередачі іншого устаткування, і післяаварійні режими, коли при аварії на одній з фаз лінії електропередачі відключенню підлягає тільки ушкоджена фаза. Подовжна несиметрія властива також спеціальним системам електропередач: два провода — земля (ДПЗ), два провода - рейки (ДПР), два провода - труба (ДПТ) і ін.
Несиметрію, обумовлену несиметричним навантаженням (однофазні електрометричні установки, електрозварювальні пристрої, тягові навантаження й ін.), називають поперечною.
При несиметричному режимі в трифазній системі з'являються симетричні складові струмів і напруг зворотної і нульової послідовностей, що негативно впливають на роботу електроустаткування. Струми зворотної послідовності викликають появу зворотньо синхронного магнітного поля, що обумовлює додаткове нагрівання електричних машин і зниження обертаючих моментів електродвигунів, а також спотворює трикутник напруг у споживача і на генераторних шинах. Струми нульової послідовності ведуть до несиметрії фазних напруг мережі, а також негативно впливають на лінії, що поблизу знаходяться, (наприклад, лінії зв'язку).
Несиметрію трифазної системи прийнято характеризувати коефіцієнтами несиметрії струмів і напруг:
e_{і= =}e_іе^jYI; (1)
e_u= =e_ue^jYu, (2)
де U', I' і U", I"- симетричні складові напруг і струмів прямої і зворотної послідовностей.
2.1 Синхронні генератори
При наявності несиметричних навантажень великої потужності, що харчуються від трифазної системи, у статорах генераторів протікають струми прямої, зворотної і нульової послідовностей. Струми прямої послідовності створюють магнітне поле, що обертається синхронно з ротором, а зворотної — магнітне поле, що обертається з подвійною синхронною швидкістю в напрямку, зворотному напрямку обертання ротора, і наводить в останньому е.р. с. з частотою 100 гц. Ця е. р. с. обумовлює в обмотці збудження струму, що пульсує поле яке можна розкласти на дві складові: поле, що обертається в напрямку обертання ротора і навідне в статорі е.р. с. потрійної частоти, і поле, що обертається в напрямку,зворотньому напрямку обертання ротора, і навідне в статорі е.р. с. з частотою основного поля зворотньої послідовності, частково компенсуючи його. Е. р. с. потрійної частоти викликає в статорі струми прямої і зворотної послідовностей такої ж частоти. Магнітне поле струмів зворотної послідовності викликає в обмотці ротора е.р.с. з частотою 200 гц і т.д.
Таким чином, у статорі створюється непарний, а в обмотці збудження — парний спектр гармонік струмів прямої і зворотної послідовностей. Ці струми обумовлюють додаткове нагрівання як статора, так і ротора синхронної машини, що досягає часто загрозливих величин, особливо для ротора.
2.2  Асинхронні електродвигуни
Несиметричні струми, викликані в системі несиметричним навантаженням, унаслідок кінцівки опорів ліній електропередач викликають несиметрію напруг. В асинхронних електродвигунах ця несиметрія обумовлює додаткове нагрівання, а також протидіючий обертаючий момент, що зменшує корисний момент. Зменшення корисного моменту за рахунок протидіючого стосовно моменту при симетричному навантаженні визначається вираженням
m= × = × e_u² (3)
де S — ковзання; Z' і Z'' — опори прямої і зворотної послідовностей.
Для індукційного двигуна в номінальному режимі Z" »» 0,16Z', а максимальне ковзання при повному навантаженні дорівнює 0,05.
Тому:
 m= × × »e_u² (4)

Таким чином, зменшення обертаючого моменту дорівнює квадрату коефіцієнта несиметрії напруг. Відзначимо, що так як для загальмованого двигуна S = 1, а Z’= Z’’ то вираження справедливе також і для пускового режиму.
Оскільки опір зворотньої послідовності асинхронних електродвигунів у 5—7 разів меньший опору прямої послідовності, то при наявності навіть невеликої по величині складовій напруг зворотної послідовності виникає струм значної величини. Цей струм накладається на струм прямої послідовності й обумовлює додаткове нагрівання ротора і статора, у результаті чого швидко старіє ізоляція і зменшується розташовувана потужність двигуна. Установлено, що термін служби цілком навантаженого асинхронного двигуна, що працює при несиметрії напруг у 4%, скорочується в два рази.
Особливо небезпечна несиметрія напруг для асинхронних двигунів при підвищеній напрузі мережі (у таких умовах працюють, наприклад, двигуни для приводу допоміжних механізмів на електровозах перемінного струму). У результаті дії несиметрії і підвищеної напруги припустима потужність двигунів значно знижується. Тому в таких випадках установлену потужність асинхронних двигунів необхідно збільшувати в 2—2,5 рази. Оскільки додаткові теплові втрати мають квадратичну залежність від несиметрії напруг, то тривала несиметрія напруг приблизно в 2% мало впливає на термін служби цілком навантаженого асинхронного двигуна.
У деяких випадках навантаження буває обмежене чи переривчасте і припустима несиметрія напруг може бути трохи більша. Це зумовлене тим, що неприпустиме нагрівання настає тільки після тривалого впливу несиметрії, і в розрахунки можна вводити не максимальну і діючу нетривалий час несиметрію, а використовувати величину, дію якої триває чверть чи пів години. Результати досліджень показали, що припустимою несиметрією напруг для асинхронних двигунів варто вважати несиметрію до 2%. Як видно з вираження, зниження обертаючого моменту при цьому буде також незначним.

3. Методи і засоби симетрування
Режим трифазної системи симетричний при відсутності пульсуючої потужності, тобто коли в системі існують напруги і струми тільки прямої послідовності. Тому всі методи попередження несиметрії (симетрування) спрямовані на компенсацію зазначеної потужності, тобто на зменшення симетричних складових зворотної і нульової послідовностей. Розрізняють внутрішнє і зовнішнє симетрування. (При внутрішньому симетруванні несиметричне (однофазне) навантаження розподіляється між фазами по можливості рівномірно, що зменшує, таким чином, її вплив на систему. Цей метод застосовують для зменшення несиметрії тягових навантажень електрифікованих залізниць, коли різні тягові підстанції підключаються до фаз системи за «гвинтовом» закононом. Досягти повної симетрії методом внутрішнього симетрування вдається надзвичайно рідко, оскільки сумарне навантаження в загальному випадку все ж таки залишаються несиметричним.
Під зовнішнім розуміють штучне симетрування з застосуванням різних пристроїв, підключених до трифазної мережі так, щоб струми в трифазному джерелі і мережі були симетричними і створювали систему прямої послідовності. Таке симетрування одержало широке поширення і може бути виконано різними способами.
3.1 Підключення до недовантажених фаз додаткових опорів для
симетрування сумарного навантаження
Це простий, але неекономічний спосіб, оскільки веде до значних втрат енергії в зазначених опорах. Крім того, для його здійснення при наявності несиметричних навантажень з різними параметрами необхідно мати значний арсенал додаткових опорів. Усе ж таки цей спосіб іноді рекомендують застосовувати для захисту турбогенераторів при обриві однієї з фаз.

3.2 Застосування багатофазної схеми випрямлення струму
наприклад, схеми Ларіонова)
Таке симетрування можна здійснити, коли однофазне навантаження може нормально працювати при харчуванні від джерела постійного струму. Недоліком цього способу є те, що вищі гармоніки, обумовлені схемою випрямлення проникають у мережу, спотворюють форму кривих струмів і напруг і приводять до збільшення втрат енергії в електроустаткуванні.
Застосування преосвітнього агрегату «трифазний двигун — однофазний генератор». Такий спосіб зв'язаний зі значними витратами встановлених потужностей і втратами енергії (до 25%).
3.3 Симетрування за допомогою фазових зрівнювачів
Струми зворотної послідовності, викликані несиметричним навантаженням, компенсуються за допомогою синхронних машин, що створюють не- обхідну для цього систему е.р. с. зворотної послідовності. Електромагнітні фазові зрівнювачі не одержали широкого поширення через велику вагу (12—14 кг/ква) і габаритів, а також складності конструкції і невисокої надійності. В даний час їх пропонують використовувати для комплексного рішення проблеми симетрування й усунення коливань напруги, викликаних дуговими сталеплавильними печами.
3.4 Використання симетруючого ефекту трифазних асинхронних
двигунів
Якщо трифазний двигун приєднаний до системи з несиметричним навантаженням, він прагне відновити симетрію системи. Для цього випадку справедливе вираження
e_{u= = · ,} (5)
де Z — опір лінії між джерелом харчування і місцем приєднання несиметричного навантаження; Z’_Д, Z’’_Д— опір двигуна прямої і зворотної послідовностей; U’_Н, U’’_Н — напруга на навантаженні прямої і зворотної послідовностей.
З рівняння видно, що асинхронний двигун прагне зменшити несиметрію, оскільки Z’’_Д<< Z’_Д. При цьому струми зворотної послідовності, обумовлені навантаженням і двигуном, мають практично протилежні знаки:
 - = +1. (6)
У сумі вони зменшують результуючий струм зворотної послідовності в лінії. Максимальний симетруючий ефект створюють двигуни з мінімальним опором зворотної послідовності. З рівнянь (5) і (6) ясно, що при Z’’_Д ® О несиметрія напруг і струмів також прагне до нуля.
Недолік цього способу полягає в тому, що асинхронні двигуни повинні працювати зі значним недовантаженням, тому що в противному випадку вони можуть вийти з ладу внаслідок перегріву.
3.5 Симетрування за допомогою введення системи додаткових е.р.с.
Для зниження несиметрії вводиться система додаткових е.р. с., що може бути отримана або за рахунок пофазної різниці в коефіцієнтах трансформації, або за рахунок спадання напруги від струмів навантаження в пофазно різних додаткових опорах. Цей метод застосовується найчастіше для компенсації подовжньої несиметрії.

3.6 Симетрування струмів при роботі трансформаторів двома
фазами
Цей спосіб призначений для симетрування струмів генератора при його роботі на мережу високої напруги через неповну трансформаторну групу, а також при передачі енергії по двох проводах з використанням землі як третій провід. Він полягає в тому, що на стороні трикутника трансформатора  , що працює з боку зірки двома фазами, включається додатковий оп￮ір у той з лінійних проводів, до якого підключені обмотки двох обтічних струмів фаз трансформатора. Замість додаткового опору можна використовувати однофазний трансформатор, вторинна обмотка якого закорочена. У цьому випадку в схему вводиться опір розсіювання додаткового трансформатора. Відомо, що несиметрія струмів генератора може бути значно зменшена при рівнобіжній роботі неповної трансформаторної групи з однієї чи декількома повними групами.
3.7 Застосування несиметричних трьохфазно-двохфазних
трансформаторів
Дозволяє здійснювати симетрування режиму тільки при наявності двох рівних по величині і фазі навантажень. Компенсація пульсуючої потужності за допомогою статичних СУ — найбільш розповсюджений спосіб симетрування. Він полягає в тому, що СУ, підключене до системи, створючи в останій пульсуючу потужність, рівну по величині і протилежну по фазі пульсуючої потужності, обумовленою несиметричним навантаженням. Розрізняють схеми СУ з електричними й електромагнітними зв'язками. У залежності від технічної допустимості й економічної доцільності СУ можуть бути регульованими і нерегульованими. У даній роботі цьому способу приділена найбільша увага.
Як уже відзначалося вище, для цілей симетрування можуть бути також використані засоби, що маються в системі. Так, наприклад, якщо конденсатори, призначені для підвищення значення коефіцієнта потужності, підключити несиметрично між фазами мережі, вони можуть цілком чи частково ліквідувати несиметрію. З цією ж метою можуть бути використані установки подовжньої компенсації, конденсатори фільтрів тягових підстанцій і т.д. Несиметрію можна також знизити за допомогою збільшення потужності системи й інших способів, на яких ми тут не зупиняємося, тому що вони є або різновидом способів, розглянутих вище, або застосовуються дуже обмежено.

4. Симетрування режиму на фізичній моделі системи
електропостачання
Основні технічні характеристики
1. Живлення фізичної моделі здійснюється від трифазної трьох-провідної мережі напругою 380 В и частотою 50 Гц.
2. Масштаб напруг
  = 289,5,
де ,  напруга об'єкта оригіналу і моделі.
3. Установлені потужності , В·А;
блоку несиметричного навантаження 300 ;
блоку нелінійного навантаження 150 ;
блоку симетричного навантаження 100 ;
загальна потужність 550 .
4. Кількість фізичних моделей печей графітації перемінного струму - 10.
5. Кількість фізичних моделей печей графітації постійного струму - 4.
6. Габаритні розміри 1300x867x600.
“ФМСЭС” модулює промислову розподільну мережу електродного заводу. Фізична модель може використовуватися для відпрацьовування алгоритмів, перевірки працездатності моделей оптимального керування режимом, тренування чергових диспетчерів, що ведуть технологічний процес на етапі впровадження “АСУЭ”. Тому фізичне моделювання мережі електродного заводу виконано як наближене. Фізична модель має наступні можливості;
блок несиметричного навантаження дозволяє моделювати режим мережі, що складає зворотні послідовності якого змінювалася б у часі в широких межах;
комплектуючі блоку несиметричного навантаження - фізичні моделі печей графітації відтворюють графік навантаження, подібний до графіка оригіналу;
для одержання різних реалізацій несиметричного режиму мається можливість зміни відносної фази включення фізичних моделей печей графітації (за допомогою перемикача SA5);
схема “ФМСЭС” дозволяє неодноразово відтворювати ту саму реалізацію режиму і змінювати фазировку фізичних моделей графіторовочних печей;
СУ дискретного керування і виконано за схемою трикутника статичних конденсаторів, має наступні характеристики:
плече A- У ступінь I - I мкф;
 ступінь 2-4 мкф;
 ступінь 3-8 мкф;
для пліч В і В-A параметри ступіней і їхня кількість ті ж; вимірювальний блок забезпечує наступною інформацією, необхідної для керування режимом: напруги обмоток ВН, СH і НH живильного трансформатора, фазні струми і COS  по фазах блоку несиметричного навантаження. Крім цього схема передбачає можливість підключення самописів струму і напруги, а також осциллографів;
блок симетричного навантаження відтворює характерний графік електроспоживання ремонтно-механічного підприємства. Потужність навантаження змінюється при переключенні по визначеному законі відгалужень обмотки трансформатора (магнітні пускачі KV1- KV6);
блок нелінійного навантаження складається з фізичних моделей печей графітації і харчується від джерела, виконаного по дванадцятофазній схемі випрямлення.
Принцип побудови номограмм для керування СУ
Як відомо, заданий струм зворотної послідовності для симетрування режима електричної мережі визначаються на основі виразу:

де заданий струм зворотної послідовності СУ;
   компенсуючий струм зворотної послідовності;
   вектор струму зворотної послідовності узагальненої нагрузки.

Розрахунок виразу

,
де І_А ,І_В ,І_С –фазні токи; , ,  -кути зсуву мыж векторами струмів і напруг відповідних фаз.

Результати розрахунку

І_А=44А, І_В=56А, І_С=59А;
    .

Час рахунку-50с.

Висновок
В даній роботі розглянули такі питання як: оптимізація якості електроенергії, несиметрія електричних режимів, методи і засоби симетрування, симетрування режиму на фізичній моделі системи електропостачання.
Звернули свою увагу на важливе значення по підвищенню якості електричної енергії, та важливих показників несеметрії напруг та струмів, виділили основні методи симетрування.

Література
1. А.Н. Милях, А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов. Схемы симметрирования однофазных нагрузок в трехфазных цепях.-Киев, Наук. думка, 1973. 219 с.
2. И.В. Жежеленко, М.Л. Рабинович, В.М. Божко. Качество электроэнергии на промышленних предприятиях.- Киев, «Техніка»1981.