Исследование методов и устройств компенсации реактивной мощности при электроснабжении нелинейных и резкопеременных нагрузок

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевой защитный проводник — это проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.

Зануление применяется в четырехпроводных сетях напряжением до 1000В с заземленной нейтралью.

Зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита и селективно отключает поврежденный участок сети. Кроме того, зануление снижает потенциалы корпусов, появляющиеся в момент замыкания на землю.

Основное назначение зануления – обеспечить срабатывание максимальной токовой зашиты при замыкании на корпус. Для этого ток короткого замыкания должен значительно превышать уставку защиты или номинальный ток плавких вставок.

Согласно ПУЭ ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя с обратно зависимой от тока характеристикой.

Нулевой провод должен иметь надежные соединения, и должна обеспечиваться непрерывность цепи от каждого корпуса до нейтрали источника. Нулевой провод соединяется со всеми заземленными металлическими конструкциями, создающими параллельные цепи короткого замыкания: металлическими конструкциями зданий, подкрановыми путями, стальными трубами электропроводок, свинцовыми и алюминиевыми оболочками кабелей, металлическими трубопроводами, проложенными открыто, исключая трубопроводы для горючих и взрывоопасных смесей. Эти проводники могут служить в качестве единственного нулевого провода, если по проводимости они удовлетворяют приведенным выше требованиям.

Зануление однофазных потребителей должно осуществляться специальным проводником, который не может одновременно служить проводом для рабочего тока.

Защитное отключение – система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током. Опасность поражения возникает при следующих повреждениях электроустановки – замыкании на землю (глухом или неполном), снижении сопротивления изоляции, неисправностях заземления или зануления и устройства защитного отключения. Чтобы обеспечить безопасность, защитное отключение должно осуществлять некоторую совокупность из следующих защит: защиту от глухих и от неполных замыканий на землю (корпус), защиту от утечек, автоматический контроль цепи заземления или зануления, самоконтроль, т. е. автоматический контроль исправности защитного отключения.

Повреждение электроустановки приводит к изменениям некоторых величин, которые могут быть использованы как входные автоматического устройства, осуществляющего защитное отключение. Так, при замыкании на корпус последний оказывается под напряжением относительно земли. Если корпус заземлен или замыкание произошло непосредственно на землю, возникает ток замыкания на землю. Вследствие нарушения симметрии сопротивлений фаз относительно земли при замыкании на землю изменяются напряжения фаз относительно земли и возникает напряжение между нейтралью источника и землей (напряжение нулевой последовательности).

Замыкание на землю, даже неполное, приводит к снижению общего сопротивления сети относительно земли. Это сопротивление уменьшается также при снижении сопротивления изоляции без замыкания на землю, даже если сопротивления фаз относительно земли остаются симметричными.

Напряжение корпуса относительно земли, ток замыкания на землю, напряжение нулевой последовательности, напряжения фаз относительно земли могут быть восприняты чувствительным элементом (датчиком) автоматического устройства как входная величина. При определенном значении входной величины защитное отключение срабатывает и отключает электроустановку, это значение входной величины называется уставкой. В зависимости от того, что является входной величиной, на изменение которой реагирует защитное отключение, выделяют следующие схемы: на напряжении корпуса относительно земли, на токе замыкания на землю, на напряжении нулевой последовательности, на напряжении фазы относительно земли, на токе нулевой последовательности, вентильные, на постоянном и переменном оперативном токе, комбинированные[41,42].

4.2 Расчет защитного заземления

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. В данном случае будет использоваться выносное заземление, т.е. заземлители будут располагаться на некотором удалении от заземляемого оборудования, и безопасность обеспечивается только за счет малого сопротивления заземления. Для расчета защитного заземления воспользуемся методом, изложенным в [43].

Цель расчета заземления: определить число и длину вертикальных элементов (труб), длину горизонтальных элементов (соединительных шин) и разместить заземлитель, исходя из регламентированных правилами значения допустимого сопротивления заземления.

Для защитного заземления установки принимаем следующие данные: напряжение сети – до 1000В; мощность трансформатора – до 100кВА; тип заземлительного устройства – вертикальный; размер заземлителей – длина труб:lT=3м, диаметр труб: d = 0,06м, ширина соединяющей полосы: bn = 0,05м, глубина заложения: hB = 0,8 м; расположение заземлителей – вертикально в один ряд; грунт – супесок; климатическая зона – вторая. Схема заземлительного устройства приведена на рисунке 1.

В соответствии с ПУЭ и ПТБ принимаем допустимое сопротивление заземляющего устройства: Rз = 10 Ом.

Определяем удельное сопротивление грунта (супесок), рекомендуемое для расчета: rтабл=300 Ом×м.

Определяем повышающий коэффициент для труб Кп.т. и для полосы Кп.п., учитывающий изменение сопротивления грунта в различное время года в зависимости от количества выпадаемых осадков: Кп.т. = 1,5, Кп.п. = 4,5.

 

Рисунок 46 – Схема заземляющего устройства

Определяем удельное расчетное сопротивление грунта для труб rтабл.т. с учетом неблагоприятных условий, учитываемых повышающим коэффициентом:

rрасч.т. = rтабл.×Кп.т. = 300×1,5 = 450 (Ом×м).

Определяем удельное расчетное сопротивление грунта для полосового заземлителя:

rрасч.п. = rтабл.×Кп.п. = 300×3 = 900 (Ом×м).

Определяем расстояние от поверхности земли до середины трубы

 (м).

Определяем сопротивление растекания тока для одиночного углублённого заземлителя, расположенного ниже поверхности земли на 0,6-0,8 м:

 

Rт=0,366×(rрасч.т./ )´  (Ом).

Определим необходимое число труб (одиночных заземлителей) без учёта коэффициента экранирования:

nт = Rт/Rз 

Определяем расстояние между трубами L. Для углубленных стационарных заземлителей значение С рекомендуется принять равным 1: С = 1,

 (м).

Определяем коэффициент экранирования труб hэ.т. при числе труб nт и отношении

:

hэ.т. = 0,55.

Определим необходимое число труб (одиночных заземлителей) с учётом коэффициента экранирования:

nт..э. = Rт/(Rз×hэ.т.) = 117,9/(10×0,55) = 21,44 » 22.

Определяем расчётное сопротивление растекания тока при принятом числе труб nт..э.:

 

Rрасч.т. = Rт/(nт.э.× hэ.т.) = 117,9/(22×0,55) = 9,74 (Ом).

Определяем длину соединяющей полосы:

Lс.п. = 1,057×L×(nт.э.-1) = 1,057×3×(22-1) = 66,59 (м).

Определяем сопротивление растекания тока в соединяющей полосе

Rс.п. = 0,366(rрасч.п../Lс.п.)× (2×Lс.п.2/ ) =

= 0,366×(900/66,59)´ (2×66,592/0,05×0,08) = 34,5 (Ом).

Определим коэффициенты экранирования hэ.с.п. для соединяющей полосы при nт.э. и при С = 1:

hэ.с.п.=0,37.

Определяем расчётное сопротивление растекания тока в соединяющей полосе (с учётом коэффициента экранирования):

Rрасч.п. = Rс.п./hэ.с.п. = 31,4 / 0,37 = 94,9.

Определяем общее расчетное сопротивление растекания тока в трубах и соединяющей полосе:

Rобщ.расч. = 1/(1/Rрасч.т + 1/Rрасч.п.) = 1/(1/9,74 + 1/98,9) = 8,83 (Ом).

В результате расчета заземления мы получили расчетное значение сопротивления заземляющего устройства: Rобщ.расч. = 8,83 Ом, что меньше допустимого значения Rз = 10 Ом.

Таким образом, устройство с рассчитанными выше параметрами принимаем в качестве защитного заземления разработанного в данной работе устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выпускной квалификационной работе рассмотрены вопросы компенсации реактивной мощности в системах промышленного электроснабжения преобразовательных установок.

Одним из основных вопросов, решаемых при проектировании и эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающей расчет и выбор компенсирующих устройств, их регулирование и размещение на территории предприятия.

Компенсация реактивной мощности имеет большое значение и является частью общей проблемы повышения КПД работы систем электроснабжения и улучшения качества электроэнергии.

Реактивная составляющая неизбежна при работе многих промышленных устройств, поэтому она не может быть исключена полностью, однако целесообразно применять средства, предназначенные для уменьшения ее потребления из питающей сети.

Для этого необходимо приближать источники покрытия реактивной мощности к местам ее потребления и уменьшать получение реактивной мощности из энергосистемы. Это разгружает в значительной степени питающие линии электропередачи и трансформаторы от реактивной мощности.

Уменьшение потребления реактивной мощности на предприятии достигается путем компенсации реактивной мощности как естественными мерами (сущность которых состоит в ограничении влияния приемника на питающую сеть путем воздействия на сам приемник), так и за счет специальных компенсирующих устройств (реактивной мощности) в соответствующих точках системы электроснабжения.

Применению устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения должен предшествовать тщательный технико-экономический анализ в связи с высокой стоимостью и достаточной сложностью этих устройств.

Интенсивное развитие силовой полупроводниковой преобразовательной техники и ее использование в тиристорных электроприводах переменного и постоянного тока, вентильных преобразователях для электротермических и электротехнологических установок различного назначения привело к ухудшению показателей качества электроэнергии.

В условиях возрастающего использования вентильных преобразователей эта проблема сопровождается ощутимым технико-экономическим ущербом. Для ее устранения существует два пути: внешняя и внутренняя компенсация.

Внешняя компенсация основана на применении различных компенсирующих устройств, генерирующих реактивную мощность в сеть – конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, регулируемых и нерегулируемых источников реактивной мощности. К ним относятся также фильтрокомпенсирующие устройства, выполненные на базе реакторов и конденсаторов.

Внутренняя компенсация предполагает уменьшение как потребления реактивной мощности, так и генерации высших гармоник тока посредством изменений в самом преобразователе.

В сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых резкопеременными нелинейными нагрузками с повышенным потреблением реактивной мощности (например, вентильные преобразователи), применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, наталкивается на серьезные технические трудности.

Расчеты показывают, что установка широко применяемых для компенсации реактивной мощности конденсаторных батарей в системах электроснабжения промышленных предприятий при наличии вентильной нагрузки может оказаться недопустимой.

Поэтому на предприятиях с вентильной нагрузкой вопросы компенсации реактивной мощности до конца не решены.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в сетях со специфическими нагрузками (к ним относят нелинейные, несимметричные и резкопеременные нагрузки) существуют определенные особенности компенсации реактивной мощности, которые заключаются в следующем:

1. Из-за низкого коэффициента  мощности потребителей и резкопеременного  характера нагрузки необходимо  осуществлять компенсацию как  постоянной, так и переменной  составляющей реактивной мощности.

2. Из-за быстрых изменений  потребляемой реактивной мощности  необходимо применение быстродействующих  компенсирующих устройств, способных  изменять регулирующую реактивную  мощность со скоростью, соответствующей  скорости наброса и сброса  потребляемой реактивной мощности.

3. Из-за неравномерного  потребления реактивной мощности  по фазам необходимо и пофазное  управление компенсирующими устройствами.

4. Ограничивается применение  батарей конденсаторов для компенсации  постоянной составляющей реактивной  мощности в сети с резкопеременной  вентильной нагрузкой. Это обусловлено  наличием в сети высших гармоник  тока и напряжения при работе  нелинейных нагрузок. Высшие гармоники  приводят к значительным перегрузкам  батарей конденсаторов по току.

В связи с этим применительно к сетям с симметричными и несимметричными нелинейными нагрузками ведутся разработки и изготовление комплектных фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию дефицита реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармонических, компенсацию отклонений и колебаний напряжения, а также симметрирование напряжения сети.

При наличии быстрых и резкопеременных толчковых нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих практически возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.