Влияние напряжения на работу элементов электрической системы

Нагрузка большинства потребителей непрерывно изменяется в течение суток и года. Изменение нагрузки приводит к изменению потерь напряжения в сетях и отклонению напряжения у приемников электрической энергии.

Изменение напряжения относительно номинального значения U_ном оказывает неблагоприятное влияние на режимы работы, производительность и технико-экономические показатели всех элементов электрической системы.

Зависимости активной и реактивной нагрузок от напряжения при постоянной частоте называютстатическими характеристиками нагрузки по напряжению, рис. 9.1 - 9.4. Статические характеристики отражают свойство нагрузки изменять потребляемую активную и реактивную мощность при изменении подводимого напряжения.

Рис. 9.1.Лампы накаливания

Для ламп накаливания снижение напряжения вызывает резкое уменьшение светового потока F: снижение напряжения на 5% вызывает снижение светового потока на 10%, а при снижении напряжения на 10% световой поток снижается более чем на 30%. Это вызывает ухудшение зрения, снижение производительности труда, повышает вероятность травматизма. Повышение напряжения на 10% увеличивает световой поток примерно на 30%, но срок службы ламп T снижается в 3 раза, что, естественно, ведет к материальным и трудовым затратам на замену ламп. Потребляемая лампами мощность сильно зависит от напряжения:

.

(9.1)

Асинхронные и синхронные двигатели при изменении подводимого напряжения изменяют скорость вращения n, это приводит к изменению производительности механизмов, приводимых в движение двигателями, рис. 9.2. Изменение напряжения от –5 до +10% вызывает изменение скорости примерно на 2,5%, это сказывается на качестве технологических процессов.

От подводимого напряжения зависят вращающий момент на валу двигателя и потребляемая активная мощность:

; .

(9.2)

Рис. 9.2. Асинхронный двигатель

Потребляемая асинхронным двигателем реактивная мощность намагничивания Q_µ и рассеяния Q_s также зависят от напряжения, соответственно суммарная потребляемая реактивная мощность Q имеет сложную зависимость от напряжения, рис. 9.3.

Рис. 9.3.Реактивная мощность асинхронного двигателя

При повышении подводимого напряжения возрастает ток статора, что вызывает нежелательную перегрузку обмотки и увеличение потребления из сети реактивной мощности за счет роста Qµ. Понижение напряжения ниже Uкр приводит к снижению вращающего момента, недостаточного для вращения механизмов, скольжение растет и двигатель тормозится. При этом возрастает потребление реактивной мощности за счет роста Qs, это может стать причиной массовой аварии, называемой лавиной напряжения.

Для электропечей и электролизных установок снижение напряжения приводит к увеличению длительности технологических процессов, что связано с убытками.

Показанные на рис. 9.4 статические характеристики комплексного узла нагрузки, содержащего различные потребители, среди которых 60-80% составляют электродвигатели, которые и определяют поведение всей нагрузки, показывают, что активная нагрузка обладает положительным регулирующим эффектом, т.е. при снижении напряжения активная нагрузка снижается, а при повышении возрастает:

.

Реактивная нагрузка при напряжении U > U_кр имеет положительный регулирующий эффект:

,

а при U < U_кр проявляется отрицательный регулирующий эффект:

.

Рис. 9.4. Статические характеристики узла нагрузки по напряжению

Значение критического напряжения составляет для разных узлов нагрузки U_кр=(0,6-0,85)U_ном, и если напряжение на шинах нагрузки снижается до такого значения (на рис.9.5 точка а), то появляются условия для возникновения лавины напряжения, т.е. лавинообразного снижения напряжения вследствие нарастающего дефицита реактивной мощности. В таком случае рост потребляемой реактивной мощности приводит к увеличению потери напряжения (формула 4.14) в сети, к которой подключена нагрузка, и напряжение снова снижается. Если в течение нескольких секунд не повысить напряжение в центре питания, то двигатели начинают тормозиться и отключаться (саморазгрузка), после чего напряжение повышается (точка б).

Рис. 9.5. Предотвращение лавины напряжения

В отличие от лавины частоты, которая возникает в местной или даже в объединенной энергосистеме, лавина напряжения может возникнуть в отдельной части энергосистемы. Для предотвращения этого явления в электрических системах применяются меры по регулированию напряжения, и если все возможности регулирования и средства устранения дефицита реактивной мощности исчерпаны, то используют автоматическую разгрузку по напряжению (АРН), т.е. отключение наименее ответственных потребителей. Чтобы избежать лишних отключений, разгрузка выполняется в виде нескольких очередей, первая очередь срабатывает при минимально допустимом напряжении: U ≤ U_{min доп} с выдержкой времени ∆t, чтобы отстроиться от возможных колебаний напряжения.

Напряжение оказывает влияние не только на работу потребителей, но и на элементы самой электрической системы. В линиях электропередачи с возрастанием напряжения увеличиваются потери на корону и зарядная мощность (формулы 3.6, 3.9) и снижаются нагрузочные потери активной и реактивной мощности (формулы 3.10, 3.11).

В трансформаторах повышение напряжения нежелательно, т.к. с ростом напряжения растет ток намагничивания, это приводит к искривлению кривой тока намагничивания и появлению токов высших гармоник. Они вызывают увеличение потерь активной мощности в сердечнике (формула 3.14) и его дополнительный нагрев. В то же время повышение напряжения способствует снижению нагрузочных потерь (формулы 3.18, 3.19). Снижение напряжения приводит к повышению токов в обмотках трансформатора и в ряде случаев, если трансформатор сильно загружен, может вызвать его перегрузку.