Национальный горный университет — соответствие Времени



УДК 621.311.6.03
ББК 31.29-8

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (лист Міністерства освіти і науки України № І/11-3850 від 02.06.2009 p.).


Рецензенти:

Л.В. Дубинець, д-р техн. наук, професор Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка В.А.Лазаряна;

І.Я. Ходак, канд. техн. наук, заступник головного інженера ВАТ інституту "ДніпроВНІПІенергопром”.

Особливі режими електричних мереж: Навчальний посібник/ Г.Г. Півняк, А.К. Шидловський, Г.А. Кігель, А.Я. Рибалко, О.І. Хованська. - Д.: Національний гірничий університет, 2009.-376 с.


ISBN 978-966-350-147-5

Розглянуто електромагнітні завади, що зумовлені несиметрією та несинусоїдальністю і які негативно впливають на режими електричних мереж. Вказано причини виникнення завад, проаналізовані режими електричних мереж за вказаних завад та розроблені методи визначення рівня негативного впливу на техніко-економічні показники їх роботи. Наведено основи побудови коригуючих улаштувань та методика виконання техніко-економічних розрахунків для обгрунтування доцільності впровадження заходів із забезпечення потрібного рівня відповідних показників якості електричної енергії в мережах.

Для студентів з напряму підготовки 0507 «Електротехніка та електротехнології». Може бути корисним інженерно-технічним працівникам енергетичних служб підприємств, слухачам підвищення кваліфікації.

1л. 175. Табл. 25. Бібліогр.: 33 назви.


УДК 621.311.6.03
ББК 31.29-8
ISBN 978-966-350-147-5
© Інститут електродинаміки НАН України, 2009
© Національний гірничий університет, 2009

Оригінал-макет цього видання є власністю Національного гірничого університету та Інституту електродинаміки НАН України і його репродукування (відтворення) у будь-якому вигляді без спільної письмової згоди власників заборонено.




Зміст
  Передмова 3

1.

ОСОБЛИВІ РЕЖИМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ
5
 
Навчальна мета
5
  Глосарій   5
    1.1. Загальна характеристика особливих режимів мереж 5
    1.2. Основні терміни та визначення 9
    1.3. Характеристика шляхів розповсюдження завад 11
    1.4. Технічний регламент з підтвердження відповідності 14
    1.5.Характеристика збитків через завади 16
  Запитання для самоперевірки до першого розділу 19

2.

ХАРАКТЕРИСТИКА ТА ПОКАЗНИКИ СТАЛИХ НЕСИМЕТРИЧНИХ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ
20
 
Навчальна мета
20
  Глосарій 20
    2.1. Показники режимів елекгричних мереж 21
    2.2. Сталі несиметричні режими електричних мереж 25
    2.3. Показники несиметрії в електричних мережах 29
    2.4. Визначення показників несиметрії в умовах експлуатації 30
    2.5. Енергетичні характеристики трифазних систем за несиметричних режимів 31
  Запитання для самоперевірки до першого розділу 37

3.

НЕСИМЕТРИЧНІ РЕЖИМИ РОБОТИ ТРИФАЗНИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ
38
 
Навчальна мета
38
  Глосарій 38
    3.1. Характеристика несиметричних режимів роботи трифазних трансформаторів 38
    3.2. Несиметрична робота трансформаторів при з’єднанні обмоток за схемою ∆ /Yн 43
    3.3. Несиметрична робота трансформаторів при з’єднанні обмоток за схемою Yн / ∆ 49
    3.4. Аналіз впливу схеми з’єднання обмоток трифазних трансформаторів на показники несиметрії в мережах напругою до 1 кВ 56
    3.5. Трансформація симетричних складових струмів і напруг 58
  Запитання для самоперевірки до третього розділу 61

4.

ВИЗНАЧЕННЯ СКЛАДОВИХ ВЕКТОРІВ СТРУМУ ТА НАПРУГИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ МЕРЕЖІ ЗА НЕСИМЕТРІЇ
62
 
Навчальна мета
62
  Глосарій 62
    4.1. Рівняння стану електричної мережі за несиметрії 62
    4.2. Несиметричне навантаження зі з’єднанням елементів у трикутник 66
    4.3. Поперечна несиметрія зі з’єднанням однофазних навантажень в трипроменеву зірку 71
    4.4. Поздовжня несиметрія 74
    4.5. Метод фазних координат 78
    4.6. Неповнофазні режими ліній електропередачі 83
  Запитання для самоперевірки до четвертого розділу 89

5.

НЕГАТИВНИЙ ВПЛИВ НЕСИМЕТРІЇ НА ЕФЕКТИВНІСТЬ РОБОТИ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ
90
  Навчальна мета 90
  Глосарій 90
    5.1. Робота електричних мереж та електрообладнання за несиметрії 90
    5.2. Визначення технологічної складової збитків через иесиметрією 96
    5.3. Електромагнітна складова збитків через несиметрію 100
  Запитання для самоперевірки до п’ятого розділу 109

6.

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ СИМЕТРУВАННЯ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ
110
 
Навчальна мета
110
  Глосарій 110
    6.1. Характеристика та класифікація методів симетрування 110
    6.2. Основи побудови симетруючих улаштувань 115
    6.3. Умови симетрування режимів електричних мереж 121
    6.4. Методи аналізу схем симетруючих улаштувань 126
    6.5 Одноелементні схеми симетруючих улаштувань з електричними зв’язками 128
    6.6. Дво- та триелементні схеми симетруючих улаштувань з електричними зв’язками 134
    6.7. Схема симетрування з двома елементами та навантаженням при включені в трипроменеву зірку 139
    6.8. Триелементні схеми СУ зі з’єднанням елементів в трипроменеву зірку 141
    6.9. Симетруюча спроможність компенсуючих улаштувань поперечного включення 143
    6.10. Улаштування симетрування напруги з поздовжньою структурою включення елементів 148
    6.11. Схеми симетруючих улаштувань з електромагнітними зв’язками 150
    6.12. Побудова схем електропостачання з несиметричним навантаженням 154
  Запитання для самоперевірки до шостого розділу 156

7.

ТИПОВІ РОЗРАХУНКИ НЕСИМЕТРІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ. ЗАВДАННЯ ДЛЯ ІНДИВІДУАЛЬНОЇ РОБОТИ ТА КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ
158
 
Навчальна мета
158
    7.1. Приклади типових розрахунків несиметрії електричних мереж 158
    7.2. Завдання для індивідуальної роботи 184

8.

ОСОБЛИВОСТІ РЕЖИМІВ ТА ПОКАЗНИКИ МЕРЕЖ ЗА НЕСИНУСОЇДАЛЬНИХ СТРУМІВ ТА НАПРУГ
189
 
Навчальна мета
189
  Глосарій 189
    8.1. Основні показники, що характеризують синусоїдальні функції в часі 190
    8.2. Основи гармонійного аналізу 191
    8.3. Методика визначення параметрів амплітудного та фазового спектрів гармонійних коливань 194
    8.4. Комплексна форма рядів Фур’є 196
    8.5. Типові несинусоїдальні криві струму та напруги 199
    8.6. Основні характеристики несинусоїдальних періодичних струмів і напруг 202
    8.7. Активна та реактивна потужності за несинусоїдальних режимів електричних мереж 205
    8.7.1. Активна потужність 205
    8.7.2. Реактивна потужність 205
    8.8. Несинусоїдальность в показниках якості електричної енергії 210
  Запитання для самоконтролю до восьмого розділу 214

9.

ДЖЕРЕЛА ВИЩИХ ГАРМОНІК В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ
215
 
Навчальна мета
215
  Глосарій 215
    9.1. Виникнення вищих гармонік за генерації електричної енергії 215
    9.2. Вищі гармоніки струму та напруги в електричних колах з індуктивністю та ємністю 225
    9.3. Вищі гармоніки в колах з нелінійними елементами 226
    9.4. Силові трансформатори в електричних колах з вищими гармоніками 228
    9.5. Виникнення вищих гармонік при споживанні електричної енергії 233
    9.5.1. Перетворювачі електричної енергії 233
    9.5.2. Спотворення кривих струму та напруги за роботи дугових печей 239
    9.5.3. Електрозварювальне обладнання 241
    9.5.4. Газорозрядні лампи 242
  Запитання для самоперевірки до дев’ятого розділу 244

10.

РОЗРАХУНКИ ВИЩИХ ГАРМОНІК В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ
245
 
Навчальна мета
245
  Глосарій 245
    10.1. Характеристика методів визначення вищих гармонік в електричних мережах 245
    10.2. Визначення коефіцієнта несинусоїдальності за значеннями окремих вищих гармонік 247
    10.3. Метод безпосереднього визначення коефіцієнта несинусоїдальності 252
    10.3.1. Розрахунок несинусоїдальності напруги за роботи одного вентильного перетворювача 253
    10.3.2. Визначення першої гармоніки в комутаційних спотвореннях 256
    10.3.3. Визначення діючого значення напруги виших гармонік 257
    10.3.4. Визначення коефіцієнта несинусоїдальності напруги 258
    10.3.5. Розрахунок складових гармонічного спектра 260
    10.3.6. Розрахунок несинусоїдальності за роботи групи перетворювачів 261
  Запитання для самоперевірки до десятого розділу 262

11.

ВПЛИВ ВИЩИХ ГАРМОНІК НА РЕЖИМИ ТА ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ МЕРЕЖ
263
 
Навчальна мета
263
  Глосарій 263
    11.1. Робота електрообладнання електричних мереж за наявності вищих гармонік 264
    11.2. Загальна оцінка негативного впливу вищих гармонік 266
    11.2.1. Додаткові втрати активної потужності та електричної енергії 267
    1 1.2.2. Додаткові втрати активної потужності в конденсаторних батареях і реакторах через вищі гармоніки 269
    1 1.2.3. Вплив вищих гармонік на електричні машини 270
    1 1.2.4. Вплив вищих гармонік на прилади обліку електричної енергії 273
    11.3. Визначення збитків від вищих гармонік 280
    11.4. Притлумлення завад від вищих гармонік 285
    11.5. Нормування рівнів вищих гармонік в мережах 288
    11.5.1. Нормативні документи, стандарти, норми 288
    11.5.2. Вимоги до споживачів електричної енергії 290
    11.5.3. Характеристика величини норм рівня вищих гармонік (рівня електромагнітної сумісності) 291
  Запитання для самоперевірки до одинадцятого розділу 292

12.

РЕЗОНАНСНІ ПРОЦЕСИ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ЗА ВИЩИХ ГАРМОНІК
293
 
Навчальна мета
293
  Глосарій 293
    12.1. Резонансні контури в електричних мережах 293
    12.2. Резонанси в послідовному контурі внаслідок зміни частоти 297
    12.3. Частотні характеристики контурів та резонансні криві 299
    12.4. Частотні характеристики електричних мереж 303
    12.5. Визначення параметрів елементів контуру для забезпечення полоси пропускання 306
    12.6. Резонанс за паралельного з’єднання елементів контуру 308
    12.7. Резонанси в складних схемах електричних мереж 312
    12.8. Умови роботи конденсаторних батарей за вищих гармонік в мережах 315
    12.9. Силові резонансні фільтри в електричних мережах 319
    12.9.1. Схеми резонансних фільтрів 319
    12.9.2. Обгрунтування параметрів резонансних фільтрів 322
    12.9.3. Розрахунок параметрів фільтрів 324
    12.9.4. Визначення параметрів фільтросиметруючих улаштувань 326
    12.9.5. Умови роботи ФКУ в мережах 327
    12.9.6. Складні фільтри та умови їх застосування 329
  Запитання для самоперевірки 336

13.

ТИПОВІ РОЗРАХУНКИ НЕСИНУСОЇДАЛЬНИХ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ. ЗАВДАННЯ ДЛЯ ІНДІВІДУАЛЬНОЇ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ
337
 
Навчальна мета
337
    13.1. Приклади розв’язання типових задач з несинусоїдальності 337
    13.2. Завдання для індивідуальної самостійної роботи 359
 
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
369



ПЕРЕДМОВА

Електрична енергія має широке застосування практично у всіх напрямах діяльності людства. Технічний та економічний розвиток будь-якої країни тісно зв’язаний зі зростанням обсягів виробництва та розширенням використання електричної енергії. Зі зростанням обсягів виробництва електричної енергії змінюються умови її передачі та споживання. Не завжди зміна умов виробництва, транспортування та споживання сприяють покращанню техніко-економічних показників діяльності електроенергетичної галузі. В найбільшій мірі це відноситься до показників якості електричної енергії, що зумовлено особливістю діяльності електроенергетичної галузі. Ця особливість визначається наявністю безпосередніх електричних зв’язків між джерелами електричної енергії та споживачами, тому що вказані об’єкти знаходяться в спільному для них електромагнітному середовищі. Наявність таких безпосередніх зв’язків зумовлює вплив джерел електричної енергії на споживачів і навпаки. Причому, потрібно розуміти, що генератори виробляють електричну енергію встановленої якості. В той же час в процесі передачі, розподілення та споживання має місце погіршення показників якості електричної енергії, що проявляється в вигляді різних електромагнітних завад, які розповсюджуються по провідникам електричного струму і в повітряному просторі. Вказані завади зумовлені несиметрією, несинусоїдальністю, відхиленнями та провалами напруги і ведуть до погіршення якості електричної енергії. Погіршення якості пов’язано з характеристиками окремого електрообладнання, яке має такі особливості, як нелінійність характеристик намагнічування, несиметричність, несинусоїдальність, різка і часта змінюваність навантаження тощо. Вказані властивості негативно впливають на режими роботи електроенергетичних систем, систем електропостачання споживачів та їх обладнання. Негативний вплив проявляється в зниженні показників якості електричної енергії і, як наслідок, призводить до зниження ефективності використання електричної енергії. Зниження ефективності використання електричної енергії проявляється в збільшенні втрат електричної енергії, погіршенні пропускної спроможності електричних мереж, передчасному виході з ладу електрообладнання мереж та споживачів, похибках в роботі вимірювальної техніки, техніки керування, релейного захисту тощо. Внаслідок цього проблема переростає в проблему електромагнітної сумісності в електричних мережах. Електромагнітна сумісність визначається як спроможність електротехнічних установок ефективно функціонувати в їхньому електромагнітному оточенні, до якого належать також інші пристрої, що не впливають на вказане середовище. Визначення електромагнітної сумісності стосовно електричних мереж потребує врахування їх спроможності або підсилювати завади із-за резонансних явищ, які зумовлені наявністю ємностей між проводами (жилами) фаз в лініях електропередачі, або пригнічувати через активний та реактивний опори фаз. Тому досягнення електромагнітної сумісності шляхом забезпечення потрібного рівня якості електричної енергії залишається актуальною і в теперішній час. Важливого значення набули питання досліджень та розробки методів розрахунків та визначення параметрів улаштувань корекції вказаних режимів електричних мереж, які дозволяють підвищити ефективність заходів для забезпечення нормативних показників якості електричної енергії в мережах при забезпеченні оптимального (або близького до нього) функціонування електроустановок. Тому проблема особливих режимів електричних мереж, як складова частина узагальненої проблеми електромагнітної сумісності в теперішній час сформувалася в самостійний науково-технічний напрямок зі своїми ідеями, методами досліджень та розрахунків, розробки заходів тощо.

Вказаним проблемам присвячений посібник «Особливі режими електричних мереж». Як відомо, в класичному розумінні до поняття особливі режими в курсі «Електричні системи та мережі» відносять несинусоїдальні та несиметричні режими. В указаному курсі вказаним проблемам відведено один, в крайньому випадку, два невеликі розділи, що в порівнянні з важливістю проблеми явно недостатньо для всебічного висвітлення проблеми, грунтовного вивчення методичних підходів до виконання розрахунків, досліджень, розробки та втілення улаштувань та заходів з підвищення показників якості електричної енергії та забезпечення електромагнітної сумісності в цілому.

Посібник складається з тринадцяти розділів. Одна частина розділів присвячена несиметричним, друга - несинусоїдальним режимам роботи електричних мереж. Для кожної з частин наведенні приклади розв’язання типових задач та розробленні задачі для самостійної роботи. Особливість прикладів розв’язання типових задач полягає в тому, що для їх виконання використовуються не тільки методи та положення, що наведенні в теоретичній частині посібника, а й методи розв’язання інших авторів, що в тій чи іншій мірі мають відмінність від наведених в посібнику. Це дозволяє читачеві познайомитися з іншими напрямками теоретичних досліджень інших авторів.

При підготовці посібника використані результати досліджень і роботи самих авторів, а також роботи вітчизняних та закордонних вчених. Через те, що посібник призначений для навчальних цілей, то посилення на першоджерела в тексті не робилися. Для більш детального ознайомлення з тим чи іншим положенням, рекомендуємо звертатися до першоджерел, перелік яких наведено в кінці посібника.

Автори вдячні всім, хто допомагав у створені цього посібника. Особлива вдячність студентам електротехнічного факультету Інституту електроенергетики НГУ Лужанській К., Андрюніну Д., Забережному О., Сидоровій Н., Бякову А., Гончару О., Єрьоміній О., Кіпоренку І., Мідянці М., Чобліну О., Луценку І., Винокурову В., Засипкіній О., Скляренко О., Акімовій А., Сябі Ю., Магді Р.

Розробка такого типу навчальної літератури є досить складною й кропіткою працею. При виконанні її не виключені окремі недоліки, огріхи тощо. Автори з вдячністю розглянуть всі зауваження та побажання, які сприятимуть покращенню змісту посібника.


© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт