Краткий анализ электрохозяйства производственного объекта на предмет помехоустойчивости оборудования

Яковлев Валерий Иванович, Шулика Алексей Юрьевич

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

город Санкт-Петербург, Российская Федерация

Весь XX век характеризовался быстрым ростом потребления первичных энергоресурсов и электрической энергии – суммарное мировое потребление энергии увеличилось в 15 раз, а душевое в 4,4 раза.

Первое десятилетие нового столетия не внесло радикальных изменений в «энергетическую картину» мира, в сформировавшиеся тенденции. Продолжает возрастать потребление энергии, несмотря на периодически случающиеся экономические кризисы и вызванные ими кратковременные снижения энергопотребления. К середине XXI в. прогнозируется удвоение потребления энергетических ресурсов и утроение потребления электрической энергии. Вместе с этим обостряются проблемы, связанные с надежным обеспечением человечества энергией на приемлемых условиях.

Одним из важнейших направлений развития топливно-энергетического комплекса на современном этапе является решение задачи по повышению надёжности электрических сетей, поскольку от безотказной работы основного и вспомогательного технологического оборудования предприятий зависит безаварийность и эксплуатационная гибкость работы оборудования в целом. Кроме этого, в условиях современной экономики для предприятий приоритетной задачей является максимальное сокращение расходов, что может быть достигнуто путем выявления и ликвидации необоснованных затрат и оптимизации производственных процессов.

Обозначенные задачи могут быть решены с помощью мероприятий, целью которых является повышение энергетической эффективности используемого оборудования и улучшение качества электрической энергии.

Так, повышение энергетической эффективности электрических сетей и оборудования регламентируется Федеральным законом от 23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 29.07.2017) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Понятие качество электрической энергии отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприёмник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и тому подобное, поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью её характеристик, при которых электроприёмники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Таким образом, предметом настоящей статьи является краткий анализ производственного объекта с целью выявления причины, оказывающей отрицательное воздействие на качество электрической энергии.

Задача настоящей статьи заключается в повышении качества электрической энергии и использовании полученных результатов для практического применения на предприятиях.

Актуальность и важность вышеуказанной задачи обусловлена как стремительным развитием и внедрением технологий, так и необходимостью повышения энергетической эффективности оборудования.

Ожидаемым результатом настоящей статьи является обеспечение электрооборудования электрической энергией, отвечающей стандартам надлежащего качества и энергоэффективности.

В настоящее время понятие качество (энергоснабжение без искажений) электроэнергии и эффективность использования электроэнергии (получение максимального полезного эффекта от ее использования) должны рассматриваться как одно целое. Качество электрической энергии зависит не только от производителя, но и от параметров потребителей электрической энергии.

В идеальной электроэнергетической системе (ЭС) энергия должна передаваться при номинальных значениях частоты и напряжения, не изменяющихся во времени. В реальных энергетических системах эти условия не выполняются вследствие того, что многие потребители электроэнергии имеют нелинейные характеристики нагрузки. В результате этого, качество электрической энергии снижается. Именно нелинейность нагрузки приводит к возникновению гармонических искажений напряжения сети. В большинстве случаев потребители электрической энергии имеют нелинейную вольтамперную характеристику, что приводит к изменению гармонического состава напряжения и тока сети электроснабжения.

Несинусоидальный ток в сопротивлениях питающей сети создает несинусоидальные падения напряжения так, что даже при синусоидальной электродвижущей силе источника энергии в сети с выпрямительной нагрузкой имеют место несинусоидальные токи и напряжения. Таким образом, нагрузка потребляет из питающей сети искаженный ток, в состав которого входят гармоники, с частотами, превышающими основную частоту. Падения напряжения, обусловленные этими токами, вызывают искажение кривой напряжения питания, что ведет к дополнительным потерям передаваемой мощности, может нарушать работу других приемников, создает опасность возникновения резонанса и перегрузку цепей, содержащих емкости.

С целью решения поставленной задачи был проведен краткий анализ производственного объекта.

Основными потребителями электрической энергии предприятия являются асинхронные электродвигатели.

Для управления режимами работы вышеуказанных асинхронных электродвигателей напряжением 0,4кВ, в том числе и для снижения их энергопотребления, установлены специализированные электротехнические устройства – преобразователи частоты. Частотные преобразователи способны значительно облегчить режимы пуска и работы асинхронных электродвигателей. В тоже время, частотные преобразователи являются нелинейной нагрузкой, в связи, с чем оказывают существенное влияние на коэффициент мощности и нелинейные искажения напряжения в точке подключения преобразователя. Из-за особенности конструкции частотного преобразователя его выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармонических составляющих. Неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты потребляет из сети нелинейный ток.

Использование такого искаженного несинусоидального тока приводит к появлению негативных последствий:

1. Гармоники создают дополнительные потери в трансформаторах.

2. В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов.

3. Сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции.

4. Необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств.

5. Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей.

6. Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. 

Кроме того, преобразователи частоты могут являться мощным источником помех в электрической сети питания, оказывая негативное влияние на другое электрическое оборудование, подключенное к этой сети.

Так, в качестве одного из обследуемых объектов была выбрана трансформаторная подстанция ТП-8.

Анализ качества электрической энергии проводился в трансформаторной подстанции ТП-8 с помощью анализатора энергии Fluke 434/435, версия прошивки V02.10. Данный анализатор используется для определения наличия/отсутствия гармоник в электрической сети, Прибор был установлен в трансформаторной подстанции ТП-8 на секции шин 0,4кВ.

В результате проведенного анализа были обнаружены гармоники, в том числе 5-го и 7-го порядков.

Наличие вышеуказанных гармоник характерно для работы 6-ти полюсных выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты.

При обеспечении электромагнитной совместимости во многих случаях необходимо ослабить помехи, обусловленные гальваническими связями с источником или проникновение таких помех через чувствительный элемент, предотвратить возникновение перенапряжений в потенциальных источниках помех и ограничить опасные для изоляции перенапряжения, или для функционирования напряжения помех, а также ослабить излучаемые источником электромагнитные поля и предотвратить проникновение этих полей через чувствительные элементы. Для этого предлагается использовать помехоподавляющие устройства в виде фильтров. В зависимости от решаемой задачи они могут быть установлены непосредственно у чувствительного элемента или у источника.

Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга.

Так, на обследуемом производственном объекте с целью повышения качества электрической энергии и энергетической эффективности предлагается выполнить мероприятие по повышению помехоустойчивости электродвигателей - дооборудовать преобразователи частоты (ПЧ) 0,4кВ фильтром гармоник.

Допустимое отклонение формы тока от синусоидальной на территории РФ не определено. Однако в Европе, США и ряде других стран действует стандарт IEEE 519 (или его аналог) ограничивающий гармоники на уровне 5 – 10 %, что означает практически обязательное использование фильтров гармоник на больших мощностях для выполнения требований стандарта.

Таким образом,

1. Для корректного определения уровня помехоустойчивости оборудования необходим совместный учет всех помех.

2. Решение задачи по обеспечению помехоустойчивости оборудования позволяет не только обеспечивать защиту оборудования, но и повышать энергетическую эффективность используемого оборудования.

3. На сегодняшний день, из-за широкого распространения источников питания, содержащих полупроводниковые элементы, гармонические искажения перестали быть местной или региональной проблемой, а стали глобальной проблемой почти во всех отраслях промышленности. Однако, некоторые отрасли более подвержены возникновению гармонических помех по сравнению с другими сферами из-за условий энергоснабжения и чувствительности другого оборудования. Так как электрические сети становятся все более подверженными гармоническим искажениям, соблюдение рекомендаций по индивидуальным значениям гармоник теперь становится обязательными перед подключением к сети.

Выполненный анализ имеет следующие основные результаты:

1. Выполнен патентный поиск и анализ существующих проектов и действующих решений по повышению помехоустойчивости, выявлены их недостатки.

2. На основе краткого анализа предложены новые решения по повышению помехоустойчивости оборудования.

Список используемой литературы

1. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. №5. Статья: Анализ факторов, влияющих на помехоустойчивость асинхронных двигателей. Автор: Воронин В.А.

2. Усовершенствованный активный фильтр VLT, Danfoss.

3. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике (учебное пособие). ГОУВПО «Томский политехнический университет». Автор: Н.Н. Харлов, Томск 2007 год.

4. Влияние высших гармоник в системах электроснабжения предприятия на потери электрической энергии. Авторы: В.М. Степанов, И.М. Базыль.

5. Анализ электромагнитной обстановки в системе «Сеть – активный фильтр гармоник». Автор: А.Г. Лютаревич, Омский государственный технический университет, 2009 год.

6. Влияние нелинейной нагрузки на качество электроэнергии. Наумкин И.Б., Паскарь И.Н., Завьялов В.М. Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Источник: https://polylux.satom.ru/articles/641874-kratkiy-analiz-elektrohozyaystva-proizvodstvennogo-obekta-na-predmet-pomehoustoychivosti-oborudovaniya/