Одной из главных задач, которая ставится перед поставщиком электроэнергии, является обеспечение ее качества, поскольку качество электроэнергии (КЭ) оказывает существенное влияние на работу электрооборудования (ЭО) электрических сетей и промышленных предприятий.
Увеличение потерь электроэнергии в ЭО вследствие отклонения напряжения от номинального является одной из форм электромагнитного ущерба.
Отклонение напряжения
Показателями, характеризующими медленные изменения напряжения электропитания (продолжительностью более 1 минуты), являются отрицательное 
и положительное 
отклонения напряжения электропитания в точке передачи электроэнергии от номинального (согласованного) значения, %:
%,
%,
где 
– напряжение, равное стандартному номинальному напряжению 
или согласованному напряжению 
;
, 
– значения напряжения электропитания, меньшие и большие соответственно, усредненные в интервале времени 10 минут [3].
В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трехфазных систем).
В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания .
Для указанных выше показателей КЭ установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю [3].
Влияние отклонения напряжения на работу электрической сети и электрооборудования
1. Силовые трансформаторы (СТ) и линии электропередачи (ЛЭП).
Нагрузочные потери мощности и электроэнергии в элементах электрической сети пропорциональны квадрату тока и обратно пропорциональны квадрату напряжения, а потери холостого хода пропорциональны квадрату напряжения. С учетом этого получим выражения для определения дополнительных потерь мощности при положительном 
и отрицательном 
отклонениях напряжения соответственно [2]:
,
,
где 
, 
– потери мощности нагрузочные и холостого хода, рассчитанные при номинальном напряжении, кВт;
– положительное и отрицательное отклонение напряжения, %.
Увеличение (снижение) потерь мощности по сравнению с номинальным значением определяют по выражению [2]:
,
,
где 
, 
– изменение потерь мощности при положительном и отрицательном отклонениях напряжения, кВт.
При условии, что в сети 
> (при КЗ < 0,4) целесообразно снижать напряжение, так как при 
> 0, суммарные потери будут меньше (< 0) [5].
Результаты расчета дополнительных потерь активной мощности в трансформаторе ТМ-1000 при изменении питающего напряжения при различных значениях коэффициента загрузки (КЗ = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0) показаны на рисунке 1. Кривые иллюстрируют дополнительные потери в СТ при отсутствии регулирования напряжения отпайками.
Для СТ, у которых > (при КЗ > 0,5), суммарные потери в них при увеличении напряжения сети (
>0) будут уменьшаться (< 0). Для СТ с коэффициентом загрузки в пределах 0,4 < КЗ < 0,5 потери нагрузочные и холостого хода практически одинаковы ≈, следовательно, отклонение напряжения не приводит к существенному изменению суммарных потерь в СТ.
Рис. 1. Дополнительные потери мощности в трансформаторе ТМ-1000 кВ·А при положительном и отрицательном отклонениях напряжения
Для ЛЭП 
, следовательно, для снижения потерь в ЛЭП необходимо повышать напряжение (>0), так как нагрузочные потери при этом будут уменьшаться (< 0).
На рисунке 2 представлены результаты расчета дополнительных потерь мощности при положительном и отрицательном отклонениях напряжения в ЛЭП марки АСБ-10-3x120 длиной 1 км при различных значениях тока, протекающего по трехфазной ЛЭП (при токах в фазе равных 50, 40, 30, 20 А).
Рис. 2. Дополнительные потери мощности в ЛЭП АСБ-10-3x120 при положительном и отрицательном отклонениях напряжения
2. Асинхронные двигатели (АД).
При наличии положительного или отрицательного отклонения напряжения на зажимах АД изменяются следующие параметры: частота вращения ротора, активные потери и потребление реактивной мощности. Таким образом, экономические показатели, характеризующие работу АД, изменяются, что приводит к изменению приведенных затрат при его эксплуатации по сравнению с режимом номинального напряжения [4].
В двигателях, работающих с постоянным моментом сопротивления, при номинальной нагрузке потери активной мощности увеличиваются при отрицательном отклонении напряжения в сети, так как ток, потребляемый из сети, увеличивается. При положительном отклонении напряжения происходит уменьшение потерь активной мощности [6]. При малых загрузках двигателей (КЗ < 0,5) эта зависимость приобретает зеркальный характер (рисунок 3).
Следует отметить, что изменения активных потерь мощности в АД при отрицательном или положительном отклонениях напряжения в пределах 10 % от Unomневелики (менее 3 % от ΔPном), но они составляют такую же величину, что и потери в сетях. При увеличении положительного или отрицательного отклонения напряжения до 15 % от Unom потери активной мощности существенно возрастают [5].
Рис. 3. Дополнительные потери мощности в АД мощностью 9–15 кВт при положительном и отрицательном отклонениях напряжения
3. Синхронные двигатели (СД).
Максимальный электромагнитный момент СД в широко распространенных схемах с вентильными и электромашинными возбудителями при неизменном токе возбуждения изменяется пропорционально напряжению; это вызывает соответствующее изменение запаса статической устойчивости двигателя. При наличии отклонения напряжения в сети изменяется располагаемая реактивная мощность (РМ), определяемая тепловой нагрузкой СД: при положительном отклонении напряжения снижается вследствие увеличения насыщения магнитопровода машины и потерь в стали; при отрицательном отклонении напряжения до 20 % от Unom– увеличивается для СД с высокими значениями отношения короткого замыкания (свыше 1,25) и небольшой нагрузкой на валу. Для СД с отношением короткого замыкания равным 1,25 отрицательное отклонение напряжения вызывает уменьшение располагаемой РМ [5].
Потери активной мощности в СД увеличиваются при положительном отклонении напряжения в сети и ростом загрузки СД по РМ.
4. Источники света.
Мощность, потребляемая источниками света, изменяется в зависимости от величины отклонения напряжения в сети. При положительном и отрицательном отклонениях напряжения до 10 % от номинального напряжения Unomдля ламп накаливания (ЛН) справедливо соотношение [1]:
где 
, 
– соответственно номинальное и фактическое напряжения на ЛН;
, 
– соответственно номинальная и фактическая мощность, потребляемая ЛН.
При положительном и отрицательном отклонениях напряжения до 10 % от Unom изменение мощности, потребляемой ртутными лампами низкого давления типа ЛЛ и высокого давления типа ДРЛ, натриевыми лампами высокого давления типа ДНаТ, ксеноновыми лампами типа ДКсТ, рассчитывается из соотношения [1]:
, 
– для ЛЛ и ДРЛ,
, 
– для ДРИ,
, 
– для ДНаТ,
, 
– для ДКсТ.
где ,
, – соответственно положительное и отрицательное отклонения напряжения и номинальное напряжение сети;
, – изменение мощности и номинальная мощность, потребляемая лампой.
На основании выражений, приведенных выше, получены зависимости удельного перерасхода активной мощности от положительного и отрицательного отклонений напряжения для источников света, представленные на рисунке 4.
Рис. 4. Удельные дополнительные потери мощности в источниках света при положительном и отрицательном отклонениях напряжения
Вывод
Удельный перерасход активной мощности в процентах к потерям в номинальном режиме показывает, насколько сильно отклонение напряжения влияет на потери мощности в электрооборудовании. На основании зависимостей, представленных на рисунках 1–4, можно сделать следующие выводы:
-
потери мощности в электрической сети увеличиваются при отрицательном отклонении напряжения при загрузке трансформаторов выше 50 %; при недогрузке трансформаторов (до 30 %) – потери мощности в сети уменьшаются;
-
потери мощности в ИС увеличиваются при положительном отклонении напряжения;
-
потери мощности в АД увеличиваются: при отрицательном отклонении напряжения при загрузке двигателей выше 50 %; при положительном отклонении напряжения при загрузке двигателей ниже 70 %.
Поскольку преобладающей нагрузкой является АД, то для снижения потерь мощности в ЭП и электрических сетях необходимо поддерживать положительное отклонение напряжения в пределах 10 % от Unom при условии работы двигателей с загрузкой более 70 %.
Рецензенты:
Харламов В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск;
Кузнецов А.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск.
Библиографическая ссылка
Сафонов Д.Г., Долингер С.Ю. УЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛОНЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15248 (дата обращения: 16.01.2025).