Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика состояния проблемы несинусоидальности и несимметрии напряжений и токов в электроэнергетических системах с гидроэлектростанциями 13
1.1 Источники искажения качества электроэнергии 15
1.1.1 Источники искажения синусоидальности кривой напряжения 16
1.1.2 Источники несимметрии напряжений 23
1.1.3 Классификация гидроэлектростанций относительно качества электроэнергии 24
1.2 Влияние качества электроэнергии на элементы и подсистемы гидроэлектростанции 25
1.2.1 Влияние искажений синусоидальности кривых тока и напряжения на элементыи подсистемы гидроэлектростанции 25
1.2.2 Влияние несимметрии; напряжений на элементы; и подсистемы гидроэлектростанции 30
1.2.3 Технические последствия низкого качества электроэнергии, возникающие на гидроэлектростанции 32
1.3 Экономические показатели, используемые для оценки эффектив ности функционирования гидроэлектростанции 37
1.4 Выводы 40
Глава 2; Оценка достоверности учета электроэнергии при искаже нии ее качества 41
2.1 Экспериментальные исследования качества электроэнергии на Зейской гидроэлектростанции 41;
212 Анализ систем учета электрической энергии; применяемых в;на стоящее время на электростанциях 44?
2.3 Обоснование использования моделей напряжения, тока и сопротивления для единообразного описания работы оборудования гидроэлектростанции при наличии искажений качества электроэнергии , 46
2.4 Моделирование измерительных трансформаторов тока и напряжения в условиях низкого качества электроэнергии
2.4.1 Влияние искажений качества электроэнергии на работу измерительных трансформаторов тока. 51
2.4.2 Влияние искажений качества электроэнергии на работу магнитных трансформаторов напряжения . 54
2.4.3 Влияние искажений качества электроэнергии на работу емкостных трансформаторов напряжения. 57
2.5 Разработка методики расчета результирующей погрешности из мерительного комплекса и системы учета при наличии искаже ний качества электроэнергии 62
2.5.1 Методика расчета результирующей погрешности измерительного комплекса и системы учета электроэнергии 62
2.5.2 Анализ работы отдельного измерительного комплекса и системы учета электроэнергии на гидроэлектростанции 73
2.6 Выводы 85
Глава 3. Влияние искажений синусоидальности и симметрии токов и напряжений на потери и изоляцию основного оборудования электростанций 86
3.1 Анализ точности определения дополнительных потерь, вызванных искажениями,качества электроэнергии, в электрических машинах и силовых трансформаторах 87
3.2 Разработка методики расчета дополнительных потерь от низкого качества электроэнергии в синхронных машинах 95
3.2.1 Основные электрические потери в обмотке статора синхронной ашины при наличии искажений качества электроэнергии 96
2 Основные потери в стали синхронной машины при наличии искажений качества электроэнергии 97
3 Добавочные потери холостого хода в синхронных машинах при искажениях качества электроэнергии 99
4 Добавочные нагрузочные потери в синхронных машинах при наличии искажений качества электроэнергии 100
5 Методика расчета дополнительных потерь, вызванных искажениями качества электроэнергии в синхронных машинах 100
6 Расчет дополнительных потерь, вызванных искажениями качества электроэнергии в гидрогенераторах 101 Разработка методики определения дополнительных потерь от низкого качества электроэнергии в асинхронных двигателях. 103
1 Дополнительные потери в асинхронных двигателях при искажениях качества электроэнергии 104
X Методика расчета дополнительных потерь, вызванных искаже ниями качестваэлектроэнергии в асинхронныхмашинах 106
3 Расчет дополнительных потерь, вызванных искажениями качеста электроэнергии в асинхронных двигателях 106
Разработка методики определения дополнительных потерьют изкого качества электроэнергии в силовых трансформаторах 107
Подтверждение корректности полученных выражений для расчета дополнительных потерь при наличии искажению качества лектроэнергии в.силовом оборудованишгидроэлектростанции 1091
Влияние качества электроэнергии на состояние изоляции элероустановок.гидроэлектростанции 111
Г- Характеристика условий работы изоляции I ll
2 Определение зависимости.срока службы изоляции в синхронных машинах от искажения качества- электроэнергии 114
3 Определение зависимости срока службы изоляции в силовых трансформаторах от показателей качества электроэнергии 123"
3.7 Подтверждение достоверности полученных выражений для ана лиза работы изоляции при наличии искажений качества электроэнергии 127
3.8 Выводы 129
Глава 4. Определение границ эффективного функционирования гидроэлектростанции с точки зрения качества электрической энергии 130
4.1 Уточнение модели надежности изоляции с учетом качества элек троэнергии 130
4.1.1 Анализ влияния искажений качества электроэнергии на надежность функционирования основного оборудования гидроэлектростанции 130
4.1.2 Расчет влияния искажений качества электроэнергии на надежность работы гидроэлектростанции 136
4.1.3 Доказательство корректности предложенных методик: расчета дополнительных потерь электроэнергии, снижения сроков службы изоляции, надежности, работы оборудования при наличии искажений качества электроэнергии 145
4.2 Определение границ эффективного функционирования гидролектростанции при наличии искажений качества электроэнергии 154
4.2.1 Разработка критерия эффективности функционирования гидроэлектростанции 154
4.2.2 Методика расчета комплексного критерия эффективностифунк-ционирования гидроэлектростанции пришаличии искажений ка-честваэлектроэнергии 159
4.2.3- Построение границ эффективного функционирования на примере ейской гидроэлектростанции 162
4.3 Выводы, 168
Заключение 170
Список литературы
- Влияние качества электроэнергии на элементы и подсистемы гидроэлектростанции
- Влияние искажений качества электроэнергии на работу магнитных трансформаторов напряжения
- Разработка методики расчета дополнительных потерь от низкого качества электроэнергии в синхронных машинах
- Расчет влияния искажений качества электроэнергии на надежность работы гидроэлектростанции
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из существенных тенденций развития мировой электроэнергетики последних десятилетий, влияющих на эффективность функционирования электроэнергетических систем, является снижение качества электроэнергии (КЭ). Это вызвано активным внедрением специфичной, выпрямительной нагрузки, имеющей нелинейную вольтамперную характеристику, такой как частотно - регулируемый привод, ветроэнергетические установки, электронные выпрямительные устройства и др., несимметричной нагрузки. Здесь и далее по тексту в качестве искажений КЭ рассматриваются искажения синусоидальности кривой напряжения и симметрии трехфазной системы напряжений. Эти свойства оказывают существенное воздействие на надежность и эффективность электроэнергетических систем. При этом во всех работах, посвященных КЭ, негативное воздействие искажений КЭ рассмотрено применительно к электрическим сетям и промышленным предприятиям, а их влиянию на гидроэлектростанции уделено недостаточно внимания.
В настоящее время в России идет процесс физического приближения энергоемких производств, прежде всего предприятий цветной металлургии, к источникам относительно дешевой электроэнергии (гидроэлектростанциям). Примером такой станции является Братская ГЭС, напрямую выдающая мощность на Братский алюминиевый завод (БрАЗ). Возводится Богучанская ГЭС, и большая часть электроэнергии, произведенной на этой станции будет потребляться строящимся рядом со станцией алюминиевым заводом. На юге Амурской области идет выбор места для будущего завода цветной металлургии таким образом, чтобы его максимально приблизить к Бурейской ГЭС. Следовательно, существуют гидроэлектростанции основными потребителями которых являются предприятия с нагрузкой, являющейся нелинейной и несимметричной, и количество таких станций в перспективе будет только увеличиваться. Исходя из вышесказанного, проанализировать уровень искажений КЭ на гидроэлектростанциях и оценить технические и экономические последствия, вызванные такими искажениями, становится актуальным.
Техническая проблема. Искажения КЭ приводят к снижению эффективности функционирования гидроэлектростанций, заключающемуся:
в нарушении достоверности учета электроэнергии;
возникновении дополнительных потерь в силовом оборудовании;
сокращении срока службы изоляции, а следовательно, и срока функционирования основного оборудования;
- снижении надежности выдачи электроэнергии и мощности с шин электростанции.
Влияние искажений КЭ на функционирование электроэнергетических систем с акцентом на сети и промышленные предприятия рассмотрено в трудах таких авторов как: И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко, Д. Арриллага, Д. Бредли, П. Боджер, В.Г. Курбацкий, А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов и др., вопросы надежности - в работах Фокина Ю.А., Острейковского В.А., Китушина В.А., Тру-бицина В.И. и др. Сегодня возникла необходимость развить изложенные в трудах указанных авторов идеи в отношении гидроэлектростанций и разработать инструментарий для количественной оценки степени эффективности функционирования гидроэлектростанций в условиях низкого КЭ.
Объект исследований - гидроэлектростанция в составе основного электротехнического оборудования, установленного на ней (гидрогенераторы, силовые трансформаторы и автотрансформаторы, электрические двигатели), и системы учета электроэнергии.
Предмет исследований - воздействие искажений КЭ на эффективность функционирования гидроэлектростанции.
Цель работы - разработка инструментария, позволяющего найти область эффективного функционирования определенной гидроэлектростанции при наличии искажений КЭ.
Задачи исследования:
-
Анализ уровня искажений КЭ на гидроэлектростанциях в зависимости от места их нахождения, состава питаемой нагрузки, особенностей работы.
-
Определение влияния искажений КЭ на достоверность учета электроэнергии.
-
Выявление дополнительных потерь электроэнергии в основном электротехническом оборудовании гидроэлектростанции, вызванных искажениями КЭ, и анализ их структуры.
-
Количественная оценка влияния искажений КЭ на срок службы изоляции и надежность функционирования электроустановок.
-
Определение области эффективного функционирования гидроэлектростанции в зависимости от уровня искажений КЭ и выдаваемой мощности.
Основная идея диссертации - на основе математических моделей тока, напряжения и сопротивления, учитывающих наличие искажений КЭ, разработаны методики для инженерной оценки их влияния на эффективность функционирования основного оборудования электрических станций и достоверность системы учета электроэнергии. Такой подход позволит единообразно описать
процессы, протекающие в электротехническом оборудовании при наличии искажений КЭ.
Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Методика расчета результирующей погрешности измерительного комплекса электроэнергии и систем учета электроэнергии в целом, учитывающая наличие искажений КЭ в сети.
-
Методики расчета дополнительных потерь электроэнергии, вызванных искажениями КЭ в основном оборудовании гидроэлектростанций, позволяющие, в отличие от существующих, найти не только суммарные потери, но и анализировать структуру потерь в конкретной электроустановке.
-
Уточненная модель интенсивности отказа электроустановки, позволяющая определять как внезапные, так и постепенные отказы и их изменения во времени. Отличием предложенной модели от существующих является то, что она учитывает наличие искажений КЭ в сети.
-
Критерий эффективности функционирования для оценки надежности работы гидроэлектростанции, позволяющий выразить в едином денежном эквиваленте комплексное воздействие внешнего фактора (искажения КЭ) на технико-экономические показатели функционирования электростанции.
-
Границы эффективного функционирования конкретной гидроэлектростанции, позволяющие экономически обоснованно подходить к определению мероприятий, необходимых для нормализации КЭ.
Значение для теории полученных результатов заключается в развитии методов оценки влияния искажений КЭ на работу силового оборудования и систем учета электроэнергии, а так же в разработке на их основе комплексного критерия, характеризующего эффективность функционирования гидроэлектростанции в целом при наличии искажений КЭ.
Значение для практики.
Внедрение в эксплуатационную практику предлагаемых методов оценки эффективности функционирования гидроэлектростанции, учитывающих наличие искажений КЭ в сети, позволит существенно повысить их экономическую эффективность. Это даст возможность экономически обоснованно подходить к управлению КЭ на определенной гидроэлектростанции в реально существующих условиях.
Достоверность полученных результатов доказывается результатами замеров КЭ, проведенных специалистами сертифицированной лаборатории КЭ ОАО «ДРСК», натурными экспериментами и верификационными расчетами.
Верификационные расчеты подтвердили адекватность предложенных выражений для расчета дополнительных потерь электроэнергии в электрических машинах и силовых трансформаторах. Также было показано наличие корреляции между уровнем искажений КЭ и уровнем повреждаемости электротехнического оборудования, что подтверждает влияние искажений КЭ на срок службы изоляции и надежность работы основного электротехнического оборудования, в том числе и установленного на гидроэлектростанции.
Публикация. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе в двух журналах, рекомендованных ВАК («Электрические станции», «Электричество»), в сборнике трудов международной конференции в Польше, в рецензируемых изданиях, в трудах всероссийских конференций.
Личный вклад автора - все выносимые на защиту результаты получены автором совместно с научным руководителем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (90 источников) и пяти приложений.
Влияние качества электроэнергии на элементы и подсистемы гидроэлектростанции
Трансформаторы. При отсутствии нагрузки первичное напряжение трансформатора практически равно противо ЭДС, так как при малых токах влияние активного сопротивления и рассеяния очень мало. При отсутствии нагрузки синусоидальное напряжение вызывает появление синусоидального потока. Однако при этом первичный ток не будет чисто синусоидальным, так как поток не линейно пропорционален намагничивающему току [2].
Искажения кривой тока вызываются в основном гармониками, кратными трем, в особенности третьей. Следовательно, для получения относительно синусоидального питающего напряжения необходимо исключить распространение таких гармоник, что достигается использованием обмоток, соединенных в треугольник.
В каждой фазе трехобмоточного трансформатора присутствуют все магнитодвижущие силы гармоник, кратных трем, причем в каждой обмотке трансформатора они действуют в одном и том же направлении.
Путь потока этих гармоник должен замыкаться через воздух- (или через масло и бак трансформатора), а большое магнитное сопротивление этого пути снижает гармонический поток до очень малого значения (до 10 % от потока, появляющегося в независимых фазах). В этом случае кривые индукции и ЭДС остаются синусоидальными. Однако- пятая и седьмая гармонические составляющие намагничивающего тока могут достигать достаточно больших значений (5—10%) и вносить существенные искажения, особенно в утренние часы, когда нагрузка систем мала, а напряжение велико.
Асинхронные двигатели. Скорость синхронно- вращающегося поля статора асинхронного, двигателя равна произведению основной частоты fi на длину волны X, T.Q.f{k. Прш скольжении s скорость ротора равна f{k{\ - s), а ток ротора имеет частоту sfj. Временные гармоники асинхронных двигателей определяются гармоническим содержанием распространяющейся- МДС и зависят от скорости вращения.
Гармоника с номером п в МДС ротора имеет длину волны ЛУп, распространяется со скоростью ±(sf)X/n относительно ротора, а относительно статора ее скорость равна Jl(J-s) ± (sf)X/n. Гармоника порядка п индуцирует в статоре ЭДС с частотой, равной отношению скорости к длине волны.
Причиной возникновения гармоник может быть и электрический небаланс. В связи с электрической несимметричностью обмотки ротора, обмотка статора сбалансирована так, что питающее напряжение вызывает появление чистого поля, вращающегося со скоростью /к. В роторе индуцируется ЭДС с частотой скольжения, но так как витки ротора несбалансированы, то токи и прямой, и обратной последовательностей смещаются, создавая поля, вращающиеся в прямом и обратном направлениях. Скорость этого смещения относительно ротора равна ± s/X, а относительно статора -Jl(J-s) ± sfX. Частоты ЭДС статора, индуцируемые такими полями, равны / и (1 - 2s) f, причем последняя рассматривается здесь в качестве гармонической частоты. Взаимодействие токов высших гармонических и основной частот приводит к появлению биений с низкой частотой 2sf [2].
Телевизионные приемники, люминесцентные и ртутные лампы. Эти три источника создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но их общее количество велико. Эффект наложения искажений приводит к их значительному уровню даже в сетях высоких напряжений. По данным СИГРЭ [29], величина Ки от этих источников искажения в сетях 220 кВ может достигать 1%.
Основными источниками искажения синусоидальности кривых тока и напряжения являются статические преобразователи различной мощности и дуговые печи.
На электрической станции находятся следующие источники искажения качества электроэнергии:
Синхронные генераторы. Если магнитный поток электромагнитной системы строго синусоидально распределен по-воздушному зазору, тоЭДС, генерируемая в каждом витке обмотки с нормальным шагом, равна 2-7i-f-0-sincot вольт на виток. Здесь Ф представляет собой полный поток полюса, частота f определяется, частотой вращения машины N (в оборотах в секунду) и количеством пар полюсов р как f = Np [14]. Однако магнитный поток никогда не распределяется таким идеальным образом, особенно в машинах с выступающими полюсами.
Электрическая машина может быть представлена как имеющая 2р основных и 6р, Юр, ..., 2пр гармонических полюсов, поля которых строго синусоидальны, причем каждое вызывает появление ЭДС в соответствующих обмотках. Эти ЭДС могут быть представлены в виде гармонического ряда [5]: E(f) = Ех sin cot + Еъ sin ЪсЫ + Е5 sin 5cot +... (] ъ\ Значения гармонических ЭДС определяются потоками гармоник, эффективной шириной шага обмотки, расстоянием между обмотками и схемой соединения фаз. Коэффициент распределения n-й гармоники для целого числа витков обмотки в пазу, g пазов на полюс и фазу и электрического угла а между пазами: , _ sm(n-g-a/2) рп sm(n-a/2) /і л\ Если хорда обмотки изменяется, до % ± 9 электрических радиан, то возникающий магнитный поток уменьшается в cos(9/2) раз и соответственно уменьшает ЭДС. Эффективный шаговый угол гармоник порядка п равен п9. Тогда шаговый обмоточный коэффициент будет: km=cos(n0/2); Соответствующим подбором Крп и Кхп можно уменьшить или даже полностью; исключить, многие гармоники ЭДС. Гармоники, кратные трем, исключаются соответствующим соединением фаз; и зачастую достаточно лишь выбрать величину шага обмотки, чтобы-снизить пятую и седьмую гармоники.
Перечисленные выше меры позволяют снизить уровень гармонических составляющих до приемлемого» уровня, поэтому во всей, литературе, посвященной данному вопросу [2, 14,22, 25, 32, 37], синхронные генераторы не рассматриваются как источники искажения синусоидальности кривых тока и напряжения. В то же время, на многих генераторах установлена тиристорная система возбуждения, которая является источником искажения КЭ (статические преобразователи, как источники высших гармоник описаны выше) [63 ,66, 67].
Другие источники искажений на электрической станции. Наряду с искажениями от систем возбуждения генераторов возможно искажение от агрегатных и общестанционных собственных нужд. В состав первых входит оборудование, обеспечивающее работу гидроагрегата (лекажные и дренажные насосы, маслонапорные установки и системы управления ими, вспомогательное оборудование). В состав вторых все остальные электроприемники на электростанции.
Влияние искажений качества электроэнергии на работу магнитных трансформаторов напряжения
Из результатов, представленных в таблице 2.2, видно, что уровень искажений КЭ в узлах генераторного напряжения (13,7 кВ) и ниже невелик и заметно меньше значений, нормируемых ГОСТ 13109-97. На напряжении 220 кВ (отходящие линии) уровень искажений КЭ немного не доходит до предельно допустимых значений, а в некоторых режимах превосходит нормально допустимые"значения. Это может говорить о том, что большая часть искажений КЭ напряжения приходит из системы. В целом ПКЭ находятся в пределах, заданных ГОСТ 13109-97, это свидетельствует о том, что Зейская ГЭС является станцией первой категории с точки зрения КЭ.
Таким образом, получена нижняя граница искажений КЭ на гидроэлектростанциях. Верхней границей можно считать уровень искажений КЭ, измеренный на электростанциях третьей категории, например Братской ГЭС. Уровни искажений, которые наблюдаются на Братской ГЭС, широко отражены.в работах B.F. Курбацкого [5, 76]. Взяв нижнюю и верхнюю границы искажений КЭ, получим, интервальную оценку (диапазон) уровня искажений КЭ на гидроэлектростанциях (таблица 2.3).
Отсюда, искажения КЭ на гидроэлектростанциях могут не только достигать предельно допустимого уровня согласно ГОСТ 13109 - 97, но и превышать его. Необходимо определить количественно влияние искажений КЭ на подсистемы гидроэлектростанции.
Вопросы учета электроэнергии всегда являлись одной из важнейших задач электроэнергетики. С одной стороны точный учет обеспечивает и определяет экономические взаимоотношения между генерирующими, транспортирующими, распределяющими компаниями и потребителями, а с другой стороны является инструментом прогнозирования, планирования развития и координации для всей электроэнергетической системы, в том числе и на электрических станциях.
Элементы системы учета электроэнергии, спроектированы для работы при качественной, электроэнергии. Однако, появление и активное распространение потребителей с нелинейной и несимметричной нагрузкой, приводит к искажению КЭ.
Системы учета электроэнергии на гидроэлектростанциях делятся на систему коммерческого учета и систему технического учета1. Причем, вторая система- предназначена для внутреннего пользования и позволят оптимизировать расход электроэнергии на собственные нужды. На основании системы коммерческого учета производятся все расчеты за электроэнергию, и значимость,ее для-станции значительно выше. Существующие и применяемые сегодня системы учета электроэнергии можно представить с помощь схемы, показанной на рисунке 2.1. Система учета электроэнергии
Как видно из схемы (рисунок 2.1), отличием автоматизированного измерительного комплекса от неавтоматизированного является наличие дополнительных элементов, обеспечивающих сбор данных,, их обработку, передачу и представление в удобном для каждого случая виде.. Необходимо отметить, что на работу данных устройств оказывают влияния лишь ПКЭ, характеризующие электромагнитные помехи. А как показано во;введении, в задачи диссертации входит анализ влияния ПКЭ, характеризующих несинусоидальность и несимметрию напряжений. Кроме того, из рисунка 2.1 видно, что-для всех систем,учета существуют общие элементы: измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также.счетчикиэлектрической энергии.
Анализ работы счетчиков» BJ условиях низкого КЭ, как индукционного типа; так и» электронных широко, представлен, в литературе [17, 22, 25],. чего нельзяJ сказать об- измерительных трансформаторах.. Поэтому, возникает, необходимость получить, выражения для- количественной оценкиї влияния искажений І синусоидальности и симметрии токов и напряжений на работу измерительных трансформаторов тока и напряжения.
Разработка методики расчета дополнительных потерь от низкого качества электроэнергии в синхронных машинах
Xсобенностью работы электроэнергетических систем является одновременность процессов производства и потребления электроэнергии. В этих условиях эффективно управлять системой можно лишь при- наличии достоверной системы учета расхода и потребления электроэнергии (в дальнейшем система учета). Такая.система, кроме того, позволяет планировать развитие генерирующих мощностей, систем транспортировки электроэнергии, координировать оперативную работу. Поэтому точность учета электроэнергии является одной из актуальных задач электроэнергетики, в том числе и гидроэнергетики:
В предыдущем подразделе данной работы были получены выражения для расчета погрешности измерительных ТТ и ТН при наличии искажений КЭ, теперь необходимо с их помощью оценить результирующую дополнительную погрешность отдельного измерительного комплекса, возникающую при искажении,КЭ,ь в том числе и призначеннях ПКЭ, допустимых ГОСТ 13109-97, и затем- результирующую- дополнительную погрешность всей системы учета электроэнергии, по станциив.целом.
Для достижения поставленной цели необходимо: определить коррелированность погрешностей элементов измерительного комплекса; - дать анализ влияния ПКЭ на элементы измерительного комплекса; разработать методику оценки результирующей погрешности измерительного комплекса при искажениях КЭ; - оценить работу всех измерительных комплексов электроэнергии на гидроэлектростанции при искажениях КЭ и системы учета в целом. Типовой измерительный комплекс учета электроэнергии состоит из измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) и счетчика. Пределы допустимых погрешностей такого комплекса в соответствии с [51] определяются по формуле: Sw = ±1,1 .bf+5i+S}+Sl + 52со + 8]п +sf, (2.26) где S, - токовая погрешность ТТ, %; би - погрешность напряжения ТН, %; 80 = 0,029л]Of + в„ \-cos2 (picosq) - погрешность трансформаторной схемы подключения счетчика за счет угловых погрешностей ТТ и ТН, %; 8Л - погрешность из-за потери напряжения в линии присоединения счетчика к ТН (в дальнейшем линии), %; 5со - основная погрешность счетчика, %; Son - погрешность определения разности показаний счетчика, %; S} - дополнительная погрешность счетчика от j -й влияющей величины, %; /- число влияющих величин; 1,1 - коэффициент, зависящий от соотношения случайных и неисключенных систематических погрешностей, при доверительной вероятности р=0,95.
Данное выражение разработано для определения- допустимого симметричного разброса погрешностей измерительного комплекса, что приводит к возникновению следующих недостатков [34]. Ь) формула (2.26) определяет не фактические, а допустимые погрешности, так как обычнов качестве S,,5u,Sco используют классы точности приборов, а они определяют предельные значения погрешностей лишь в зонах нагрузок, близких к номинальным; 2) запись 8 в виде среднеквадратичного значения и знак ± говорят о том, что определяется значение случайной (симметричной) погрешности; 3) по этой формуле определяют предельные значения диапазона допустимых погрешностей, в то время как в большинстве практических задач необходимо определять наиболее вероятные значения погрешностей учета; 4) применение классов точности приборов в формуле (2.26) отражает не факт реальной флуктуации погрешности конкретного прибора внутри диапазона, соответствующего классу точности, а факт незнания для рассматриваемого прибора конкретной погрешности внутри этого диапазона. Погрешность любого элемента комплекса имеет свое конкретное значение, которое при стабильной нагрузке может незначительно флуктуировать около своего уровня из-за влияния факторов S} . Кроме того, выражение (2.26) не учитывает искажения КЭ, что недопустимо в сегодняшних условиях эксплуатации. Поэтому при оценке работы измерительного комплекса и влияния на него КЭ необходимо использовать не допустимую, а результирующую погрешность. В общем случае результирующая погрешность является суммой систематической и случайной погрешности. С учетом того, что математическое ожидание случайной погрешности равно 0s [52], результирующая будет включать в себя только систематическую погрешность. Дополнительные погрешности измерительного комплекса, вызванные искажением качества электроэнергии, являются коррелированными, так как вызваны одними и теми же причинами, а поэтому имеют одинаковую форму закона распределения, которая остается справедливой и для их алгебраических сумм [53]. Так как результирующая5 погрешность коррелированных величин суммируется алгебраически, то- с учетом знаков ее составляющих, можно записать [83]: А = Д/+Д[/+А,+АСЧ+А7, (2.27) где Д Д Д Д Дд- результирующие погрешности ТТ, ТН, линии, счетчика и угловая погрешность. Покажем влияние искажения КЭ на погрешность каждого из элементов измерительного комплекса.
Дополнительная токовая погрешность ТТ. Влияние искажений КЭ на токовую погрешность ТТ описывается выражением (2.11). Рассмотрим совместное влияние условий эксплуатации и КЭ на погрешность. Для ТТ поле допустимых погрешностей в соответствии с ГОСТ 7746-2001 имеет вид, представленный на рисунке 2.11.
Под относительной единицей на данном рисунке понимается допустимая погрешность ТТ. Наличие симметричного раструба допустимых погрешностей ТТ не означает, что фактические погрешности равномерно заполняют допустимую зону. Реальные характеристики ТТ имеют вид кривых, падающих к началу координат. В этом случае характеристики ТТ, используемых в энергетике, будут более плотно заполнять верхнюю часть диапазона в зоне больших нагрузок и нижнюю — в зоне малых нагрузок, как показано сплошной линией на рис.2.11. Причем, в процессе эксплуатации ТТ погрешности могут менять свои значения, поэтому для поставленной задачи лучше брать значения, полученные при поверке измерительных трансформаторов:
В зависимости от коэффициента загрузки ТТ, искажения КЭ будут оказывать различное влияние на измерительный комплекс. При большой загрузке ТТ (точка а на рис.2.11) погрешность, обусловленная конструктивными особенностями трансформатора, положительна и искажения КЭ, приводящие к появлению дополнительной отрицательной погрешности, приводят к уменьшению абсолютного значения результирующей погрешности (в зависимости от степени искажения). В случае, когда первая составляющая погрешности отрицательна (малая загруженность ТТ, точка б), искажения КЭ приводят к увеличению недоучета электроэнергии и могут приводить к выходу результирующей погрешности за пределы допустимых значений.
Дополнительная погрешность напряжения ТН. Для каждого ТН зависимость погрешности от коэффициента загрузки вторичной цепи индивидуальна. Она определяется видом ТН, примененными материалами, наличием витковой коррекции. Кроме того, при. эксплуатации такая зависимость может меняться под воздействием внешних факторов. Поэтому, для учета фактического значения погрешностей TtL необходимо пользоваться результатами поверки измерительных, трансформаторов. Влияние на погрешность напряжения ТН наличия искажений КЭ описывается выражениями (2.16) и. (2.25) для магнитных и емкостных ТН соответственно.
Расчет влияния искажений качества электроэнергии на надежность работы гидроэлектростанции
Одним из важных элементов всех электромеханических преобразователей электроэнергии является изоляция. Именно повреждение изоляции - одна из наиболее частых причин повреждения, генераторов, двигателей и трансформаторов. В разных электрических машинах используются различные виды изоляции, и следовательно, влияние искажений КЭ на них будет неодинаково, поэтому сначала необходимо рассмотреть виды изоляции, применяемой в электрических машинах, и определить негативное воздействие, оказываемое на них искажениями КЭ.
Изоляция электрических машин: генераторов, двигателей — работает в тяжелых условиях. Онаг подвергается, воздействию электрического поля, высоких температур и механических нагрузок. Тяжелые условия работы изоляции электрических машин не могут быть скомпенсированы увеличением объема. Чем плотнее пазы статора заполняются медью, тем больше мощность машины при тех же" габаритах. Поэтому размеры изоляции жестко ограничиваются, применяется тонкостенная изоляция.
Изоляция силовых трансформаторов принципиально отличается от изоляции электрических машин. В зависимости от условий работы она подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция представляет собой воздушные промежутки между вводами разных фаз, а также внешние поверхности вводов между линейными зажимами и крышкой бака или другими расположенными на ней элементами. К внешней изоляции относится изоляция обмоток и отводов [13].
Во время эксплуатации изоляция электрооборудования подвергается различным воздействиям, под влиянием которых происходит старение изоляции, т.е. необратимое ухудшение ее свойств. Такими воздействиями для электрических машин будут: - тепловые; - электрические; - окружающей среды; - механические. Для силовых трансформаторов к ним прибавится еще химическое воздействие. Искажения КЭ; возникающие в сети, могут приводить к усилению негативного теплового, электрического и механического воздействий на изоляцию. Рассмотрим влияние искажений КЭ на состояние изоляции основного электротехнического оборудования гидроэлектростанции.
Причина теплового- воздействия - потери электроэнергии внутри электрооборудования: Искажения КЭ приводят к увеличению потерь (данный вопрос рассмотрен" в предыдущих разделах работы), а следовательно и к усилению теплового, воздействия. Необходимо отметить, что мощность дополнительных потерь от низкого:КЭ будет нагревать не всю машину в целом, а отдельные ее точки, которые и в нормальных условиях, являются термически напряженными. Следовательно, в данных- точках, будет происходить ускоренное старение изоляции.
Тепловое старение изоляции является следствием постепенного химического изменения входящих в ее состав органических веществ. еорганические компоненты изоляции (слюда, слюдинит, стеклоткань) при рабочих температурах практически не претерпевают каких либо химических изменений. Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры в соответствии с уравнениями Аррениуса [40]: v = v0-e , (3.24) где v - скорость химической реакции, т.е. количество веществ, вступивших в реакцию в единицу времени; WA - энергия активизации для рассматриваемой реакции; к — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура.
Обычно полагают, что срок службы изоляции при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда, используя уравнение Аррениуса, можно получить следующее выражение для отношения сроков службы изоляции приіразньїх температурах [40]: т1/т2=2-(7і-7ї)МГ, (3.25) где т/ и т2 - сроки службы соответственно при температурах Г/ и Т2; AT - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции в 2 раза.
На основании экспериментальных исследований было получено известное «восьмиградусное» правило, согласно которому повышение температуры изоляции, выполненной на; органической основе, на-каждые 8С в среднем сокращает срок службы изоляции вдвое. Сейчас в зависимости от класса изоляции» существуют шести-, восьми-, десяти-, двенадцатиградусные k правила [40].
Искажения КЭ приводят к сокращению срока службы изоляции, так как прш этом, увеличивается ее температура. Для определения сокращения срока службы изоляции необходимо определить изменение температурного режима v электрической машины илютрансформатора. Электрическое старение изоляции. При рабочем напряжении во внутренней изоляции электрооборудования могут развиваться процессы электрического старения. Установлено, что такое старение может иметь место при напряжениях электрического поля во много раз меньших (5 — 20 раз и более) пробивных напряжений [4], измеренных при кратковременном приложении напряжения.
С увеличением напряжения, приложенного к изоляции любогог типа, темпы электрического старения возрастают, а сроки службы соответственно уменьшаются. Для области относительно малых средних сроков службы (от единиц часов до 10 - 10 ч) экспериментально установлена зависимость следующего вида [76]: г = г , (3.26) где А - постоянная, значение которой зависит от свойств изоляции; к - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения: Для области больших сроков службы (более 104 ч) количество экспериментальных данных сравнительно невелико из-за большой продолжительности экспериментов. Тем не менее- установлена следующая зависимость [76]:
