Выполнение курсовой работы по анализу гармонических искажений в системах электроснабжения

Распространение в современных системах электроснабжения мощных нелинейных нагрузок, таких как статические преобразователи и выпрямители, стало стандартной практикой. Однако именно эти устройства являются ключевым источником гармонических искажений, которые значительно ухудшают качество электроэнергии. Гармоники могут приводить к ложным срабатываниям релейной защиты, погрешностям приборов учета и, что особенно важно, к ускоренному старению изоляции силового оборудования. Целью данной курсовой работы является детальный расчет и последующий анализ гармонического состава токов и напряжений в конкретной схеме электроснабжения. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи: анализ теоретических основ и требований ГОСТ, расчет коэффициентов несинусоидальности, определение дополнительных потерь мощности и оценка снижения срока службы ключевых элементов сети — трансформатора и асинхронного двигателя.

Теоретические основы и нормативная база анализа гармоник

Несинусоидальность напряжения — это один из ключевых показателей качества электрической энергии, характеризующий отклонение формы кривой напряжения от идеальной синусоиды. Для количественной оценки этого явления используются два основных показателя:

• Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения — показывает долю отдельной гармоники в общем сигнале.
• Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (KU) — интегральный показатель, который суммарно оценивает вклад всех высших гармоник.

В Российской Федерации нормирование этих показателей осуществляется согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 13109-97. Этот документ устанавливает предельно допустимые значения для показателей качества электроэнергии. В частности, для сетей напряжением до 1000 В суммарный коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (KU) не должен превышать 8%. При проведении расчетов стандарт предписывает учитывать все гармонические составляющие вплоть до 40-го порядка (N=40), что обеспечивает достаточную точность для большинства практических задач.

Постановка задачи и описание исходных данных для расчета

В рамках данной курсовой работы решается комплексная инженерная задача, сформулированная как «Расчёт характеристик питания нагрузок в сети электроснабжения железных дорог». Объектом исследования является однолинейная схема, включающая питающую сеть, понижающие трансформаторы и конечное электрооборудование. Для выполнения расчетов заданы следующие исходные данные:

1. Параметры сети на шинах высокого (110 кВ) и среднего (6 кВ) напряжения, включая мощности короткого замыкания.
2. Технические характеристики трансформатора собственных нужд Т4 и асинхронного двигателя М, которые являются объектами анализа последствий несинусоидальности.
3. Параметры основной искажающей нагрузки, которая генерирует высшие гармоники тока в сеть.

Ключевым параметром для оценки экономического ущерба от гармонических искажений является нормативный срок службы оборудования. В данной работе он принимается равным 20 годам. Именно с этой величиной будет сравниваться расчетный срок службы в условиях воздействия гармоник.

Разработка схемы замещения и методики предстоящего расчета

Для анализа установившихся режимов в электрических сетях с нелинейными элементами широко применяется метод схем замещения. Его суть заключается в представлении реальной физической системы в виде эквивалентной электрической схемы для каждой отдельной гармоники. В рамках этого подхода искажающие нелинейные нагрузки, являющиеся источником проблем, моделируются как источники токов высших гармоник. Это позволяет рассчитать их влияние на остальные, линейные элементы сети (трансформаторы, линии, двигатели).

Методика расчета включает в себя несколько последовательных шагов:

1. Определение спектра и действующих значений токов высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.
2. Составление схемы замещения и расчет ее параметров (сопротивлений) для каждой гармоники отдельно.
3. Расчет падения напряжения от токов каждой гармоники на всех элементах схемы.
4. Алгебраическое суммирование падений напряжений для определения итогового напряжения на шинах 110 кВ и 6 кВ для каждой гармоники.
5. Расчет итогового коэффициента несинусоидальности KU по соответствующим формулам и его сравнение с нормативом.

Практический расчет гармонических составляющих для шин 110 и 6 кВ

Выполнение практической части работы начинается с расчета параметров схемы замещения. На этом этапе определяются индуктивные и активные сопротивления всех элементов — системы, трансформаторов, кабельных линий — для основной частоты, которые затем пересчитываются для каждой высшей гармоники. Далее, на основе паспортных данных нелинейной нагрузки определяется спектр генерируемых ею гармоник тока. Это ключевой момент, так как именно эти токи, протекая по элементам сети, создают падения напряжения и искажают его синусоидальную форму.

Следующим шагом является кропотливый расчет падений напряжения на каждом элементе схемы для каждой значимой гармоники вплоть до 40-й, как того требует стандарт. Эти вычисления показывают вклад каждой гармоники в итоговое искажение. После получения полного спектра напряжений гармоник на интересующих нас шинах (110 кВ и 6 кВ) вычисляются итоговые коэффициенты n-ой гармонической составляющей и, самое главное, суммарный коэффициент несинусоидальности напряжения KU.

Завершается данный этап сравнением полученных расчетных значений KU с нормативным значением из ГОСТ 13109-97. Для сетей 6 кВ предельно допустимое значение составляет 8%. По результатам сравнения делается однозначный вывод: соответствует ли качество электроэнергии в рассматриваемых точках сети установленным стандартам или нет. Как правило, в подобных задачах наблюдается превышение нормы, что и является основанием для дальнейшего анализа последствий.

Как гармоники влияют на силовое оборудование в нашей схеме

Полученные в предыдущем разделе цифры коэффициента несинусоидальности — это не просто абстрактные показатели, а причина вполне конкретного технического и экономического ущерба. Основной удар принимают на себя трансформаторы и асинхронные двигатели. Протекание токов высших гармоник вызывает в них значительные дополнительные потери мощности. Эти потери складываются из увеличения потерь на гистерезис и, что особенно критично, потерь на вихревые токи в магнитопроводах и обмотках.

Согласно исследованиям, в условиях питания нелинейных нагрузок потери на вихревые токи в стали трансформатора могут возрастать в 15-20 раз по сравнению с работой на линейную нагрузку.

Увеличение потерь неизбежно ведет к дополнительному нагреву обмоток и магнитопровода. Этот перегрев, в свою очередь, запускает процесс ускоренного термического старения изоляции. На основе данных о дополнительном нагреве, рассчитанном с использованием полученных токов высших гармоник, можно определить прогнозируемое снижение срока службы трансформатора Т4 и двигателя М. Если нормативный срок службы составляет 20 лет, то в условиях сильных гармонических искажений он может сократиться на несколько лет, что влечет за собой прямые экономические убытки.

Разработка рекомендаций для снижения гармонических искажений

Поскольку расчеты показали превышение коэффициентом KU нормативных значений и его существенное негативное влияние на оборудование, необходимо разработать инженерные меры для исправления ситуации. Наиболее эффективным и широко распространенным решением этой проблемы является применение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ). ФКУ представляют собой резонансные контуры, настроенные на частоты наиболее мощных гармоник в сети. Они создают для этих гармоник путь с малым сопротивлением, фактически замыкая их на себя и не пропуская в общую питающую сеть. Установка ФКУ в непосредственной близости от источника искажений позволит:

• Снизить уровень гармонических искажений на шинах до допустимых значений (ниже 8%).
• Уменьшить дополнительные потери мощности в трансформаторе и двигателе.
• Предотвратить перегрев и продлить срок службы оборудования до нормативного.

Таким образом, внедрение фильтрокомпенсирующих устройств является экономически и технически обоснованной мерой для обеспечения качества электроэнергии и надежности работы системы электроснабжения.

В ходе выполнения курсовой работы был проведен полный цикл анализа проблемы гармонических искажений. Были рассчитаны ключевые показатели качества электроэнергии — коэффициенты несинусоидальности KU для шин 110 и 6 кВ, которые показали превышение нормативных значений, установленных ГОСТ. На основе этих данных был выполнен расчет дополнительных потерь мощности в силовом трансформаторе Т4 и асинхронном двигателе М, а также определено вызванное перегревом итоговое снижение срока их службы. Главный вывод работы заключается в доказанной необходимости применения специальных мер по улучшению качества электроэнергии. В качестве наиболее эффективного решения была предложена установка фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), способных снизить уровень гармоник до нормативных величин. Таким образом, все цели и задачи, поставленные во введении, были выполнены в полном объеме.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии на промышленных предприятиях. М.: Энергия, 1977 г. 128 с.: ил.
3. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 336 с.: ил. — (Экономия топлива и электроэнергии)
4. Карташов И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения / Под ред. М. Калугиной. — М.: Издательство МЭИ, 2000. — 120 с., ил.