Indicadores de la calidad de la electricidad en las redes eléctricas
De acuerdo con GOST 13109-87, se distinguen indicadores de calidad de energía básicos y adicionales.
Entre los principales indicadores de la calidad de la electricidad, la determinación de las propiedades de la energía eléctrica que caracterizan su calidad incluye:
1) desviación de tensión (δU, %);
2) el rango de cambio de voltaje (δUT,%);
3) la dosis de fluctuaciones de voltaje (ψ, %);
4) el coeficiente de no sinusoidalidad de la curva de voltaje (kNSU, %);
5) coeficiente de la n-ésima componente de la tensión armónica de orden impar (par) (kU (n), %);
6) el coeficiente de la secuencia negativa de voltajes (k2U, %);
7) relación de tensión de secuencia cero (k0U, %);
8) la duración de la caída de tensión (ΔTpr, s);
9) tensión de impulso (Uimp, V, kV);
10) desviación de frecuencia (Δe, Hz).
Indicadores de calidad de energía adicionales, que son formas de registrar los principales indicadores de calidad de energía y se utilizan en otros documentos normativos y técnicos:
1) el coeficiente de modulación de amplitud de voltajes (kMod);
2) el coeficiente de desequilibrio entre tensiones de fase (kneb.m);
3) factor de desequilibrio de tensiones de fase (kneb.f).
Notemos los valores permisibles de los indicadores especificados para la calidad de la electricidad, expresiones para su definición y alcance. Durante el 95% del tiempo del día (22,8 horas), los indicadores de calidad de energía no deben exceder los valores normales permisibles, y en todo momento, incluidos los modos de emergencia, deben estar dentro de los valores máximos permisibles.
El control de la calidad de la electricidad en puntos característicos de las redes eléctricas lo realiza el personal de la empresa de redes eléctricas. En este caso, la duración de la medición del indicador de calidad de energía debe ser de al menos un día.
Desviaciones de tensión
La desviación de voltaje es uno de los indicadores más importantes de la calidad de la energía. La desviación de voltaje se encuentra mediante la fórmula
δUt = ((U(t) — Un) / Un) x 100%
donde U (t) — el valor efectivo de la tensión de la secuencia positiva de la frecuencia fundamental o simplemente el valor efectivo de la tensión (con un factor no sinusoidal menor o igual al 5%), en el momento T, kV ; Tensión no nominal, kV.
La cantidad Ut = 1/3 (UAB (1) + UPBC (1) + UAC (1)), donde UAB (1),UPBC (1), UAC (1)-Valores RMS de tensión fase a fase a la frecuencia fundamental.
Debido a cambios en las cargas a lo largo del tiempo, cambios en el nivel de voltaje y otros factores, la magnitud de la caída de voltaje en los elementos de la red cambia y, en consecuencia, el nivel de voltaje UT.Como resultado, resulta que en diferentes puntos de la red en el mismo momento y en un momento diferente, las desviaciones de voltaje son diferentes.
El funcionamiento normal de los receptores eléctricos con una tensión de hasta 1 kV está garantizado siempre que las desviaciones de tensión en su entrada sean iguales a ± 5 % (valor normal) y ± 10 % (valor máximo). En redes con una tensión de 6 — 20 kV, se establece una desviación máxima de tensión de ± 10 %.
La potencia consumida por las lámparas incandescentes es directamente proporcional al voltaje suministrado a la potencia de 1,58, la potencia luminosa de las lámparas es a la potencia de 2,0, el flujo luminoso es a la potencia de 3,61 y la vida de la lámpara es a la potencia de 13.57. El funcionamiento de las lámparas fluorescentes depende menos de la desviación de voltaje. Por lo tanto, su vida útil cambia en un 4 % con una desviación de voltaje del 1 %.
La reducción de la iluminación en los lugares de trabajo se produce con una disminución de la tensión, lo que conduce a una disminución de la productividad de los trabajadores y al deterioro de su visión. Con grandes caídas de voltaje, las lámparas fluorescentes no se encienden ni parpadean, lo que reduce su vida útil. A medida que aumenta el voltaje, la vida útil de las lámparas incandescentes se reduce drásticamente.
La velocidad de rotación de los motores eléctricos asíncronos y, en consecuencia, su funcionamiento, así como la potencia reactiva consumida, dependen del nivel de tensión. Esto último se refleja en la cantidad de voltaje y pérdidas de potencia en las secciones de la red.
La disminución de voltaje conduce a un aumento en la duración del proceso tecnológico en plantas electrotérmicas y de electrólisis, así como a la imposibilidad de recepción estable de transmisiones de televisión en redes de servicios públicos. En el segundo caso, se utilizan los denominados estabilizadores de tensión, que por sí mismos consumen una potencia reactiva importante y que tienen pérdidas de potencia en el acero. Para su producción se utiliza escaso acero de transformadores.
Para garantizar el voltaje necesario de los buses de bajo voltaje de todos los TP, se implementó la llamada regulación de contracorriente en el centro de alimentos. Aquí, en el modo de carga máxima, se mantiene el voltaje máximo permitido de los buses del procesador, y en el modo de carga mínima, se mantiene el voltaje mínimo.
En este caso, la llamada regulación local de la tensión de cada centro transformador colocando el interruptor de los transformadores de distribución en la posición adecuada. En combinación con la regulación de voltaje local centralizada (en el procesador) y definida, se utilizan bancos de capacitores regulados y no regulados, también llamados reguladores de voltaje locales.
Reducir la tensión
La oscilación de voltaje es la diferencia entre los valores de voltaje pico o rms antes y después de un cambio de voltaje y está determinada por la fórmula
δUt = ((Ui — Уi + 1) / √2Un) x 100%
donde Ui y Ui + 1- los valores de los siguientes extremos o extremos y la parte horizontal de la envolvente de los valores de voltaje de amplitud.
Los rangos de oscilación de voltaje incluyen cambios de voltaje únicos de cualquier forma con una tasa de repetición de dos veces por minuto (1/30 Hz) a una vez por hora, con una tasa promedio de cambio de voltaje de más del 0,1 % por segundo (para lámparas incandescentes) y 0,2 % por segundo para otros receptores.
Los cambios rápidos en el voltaje son causados por el modo de operación de choque de los motores de los molinos de rodillos metalúrgicos de las instalaciones de tracción de ferrocarriles, hornos de pradera para la producción de acero, equipos de soldadura, así como arranques frecuentes de potentes motores eléctricos asíncronos con ardillas, cuando arrancan, la potencia reactiva es un pequeño porcentaje de la potencia de cortocircuito.
El número de cambios de voltaje por unidad de tiempo, es decir la frecuencia de los cambios de voltaje se encuentra mediante la fórmula F = m / T, donde m es el número de cambios de voltaje durante el tiempo T, T es el tiempo total de observación de la oscilación de voltaje.
Los requisitos principales para las fluctuaciones de voltaje se deben a consideraciones de protección del ojo humano. Se encontró que la mayor sensibilidad del ojo al parpadeo de la luz está en el rango de frecuencia igual a 8,7 Hz. Por lo tanto, para lámparas incandescentes que proporcionan iluminación de trabajo con voltajes visuales significativos, el cambio de voltaje no se permite más del 0,3%, para lámparas de bombeo en la vida cotidiana: 0,4%, para lámparas fluorescentes y otros receptores eléctricos: 0,6.
Los rangos de oscilación permisibles se muestran en la fig. 1.
Arroz. 1. Rangos permitidos de fluctuaciones de voltaje: 1 — iluminación de trabajo con lámparas incandescentes de alto voltaje visual, 2 — lámparas incandescentes domésticas, 3 — lámparas fluorescentes
La Región I corresponde a la operación de bombas y electrodomésticos, II — grúas, montacargas, III — hornos de arco, soldadura por resistencia manual, IV — operación de compresores alternativos y soldadura por resistencia automática.
Para reducir el rango de cambios de voltaje en la red de alumbrado, suministro de energía separado de los receptores de la red de alumbrado y la carga de energía de diferentes transformadores de potencia, compensación capacitiva longitudinal de la red de energía, así como motores eléctricos síncronos y fuentes artificiales de reactivo. potencia (reactancias o bancos de capacitores cuya corriente se genera mediante válvulas controladas para obtener la potencia reactiva requerida).
Dosis de fluctuaciones de voltaje
La dosis de fluctuaciones de voltaje es idéntica al rango de cambios de voltaje y se introduce en las redes eléctricas existentes tan pronto como se equipan con los dispositivos apropiados. Cuando se utiliza el indicador "dosis de fluctuaciones de voltaje", no se puede realizar una evaluación de la admisibilidad del rango de cambios de voltaje, ya que los indicadores considerados son intercambiables.
La dosis de fluctuaciones de voltaje también es una característica integral de las fluctuaciones de voltaje que causan irritación a una persona acumulada durante un cierto período de tiempo debido a la luz intermitente en el rango de frecuencia de 0,5 a 0,25 Hz.
El valor máximo permisible de la dosis por fluctuaciones de voltaje (ψ, (%)2) en la red eléctrica a la que están conectadas las instalaciones de iluminación no debe exceder: 0,018 — con lámparas incandescentes en habitaciones donde se requiere un voltaje visual significativo; 0,034 — con lámparas incandescentes en todas las demás habitaciones; 0,079 — con lámparas fluorescentes.
Factor no sinusoidal de la curva de tensión
Cuando se trabaja en una red de potentes instalaciones de rectificadores y convertidores, así como hornos de arco e instalaciones de soldadura, es decir, elementos no lineales, las curvas de corriente y tensión se distorsionan. Las curvas de corriente y voltaje no sinusoidales son oscilaciones armónicas de diferentes frecuencias (la frecuencia industrial es el armónico más bajo, todos los demás relativos a ella son armónicos más altos).
Los armónicos más altos en el sistema de suministro de energía provocan pérdidas de energía adicionales, reducen la vida útil de las baterías de condensadores de coseno, motores eléctricos y transformadores, provocan dificultades en la configuración de protección y señalización de relés, así como en el funcionamiento de accionamientos eléctricos controlados por tiristores, etc. . .
El contenido de armónicos superiores en la red eléctrica se caracteriza por el coeficiente no sinusoidal de la curva de tensión kNSU que viene determinada por la expresión
donde N es el orden de la última de las componentes armónicas consideradas, Uн — valor efectivo de la n-ésima (н = 2, ... Н) componente de la tensión armónica, kV.
Los valores normales y máximos permitidos kNSU no deben exceder, respectivamente: en una red eléctrica con voltaje de hasta 1 kV — 5 y 10%, en una red eléctrica 6 — 20 kV — 4 y 8%, en una red eléctrica 35 kV — 3 y 6%, en la red eléctrica de 110 kV y superiores 2 y 4%.
Para reducir los armónicos más altos, se utilizan filtros de potencia, que son una conexión en serie de resistencias inductivas y capacitivas ajustadas a la resonancia en un determinado armónico. Para eliminar los armónicos a bajas frecuencias se utilizan instalaciones de convertidores con gran número de fases.
Coeficiente n-ésimo componente de voltaje armónico de orden impar (par)
Coeficiente nEsta componente armónica de la tensión de orden impar (par) es la relación entre el valor efectivo de la n-ésima componente armónica de la tensión y el valor efectivo de la tensión de la frecuencia fundamental, es decir kU (n) = (Un/Un) x 100%
Por el valor del coeficiente kU(n), el espectro viene determinado por n-x componentes armónicas, para cuya supresión se deben diseñar los correspondientes filtros de potencia.
Los valores normales y máximos permitidos no deben exceder, respectivamente: en una red eléctrica con un voltaje de hasta 1 kV — 3 y 6%, en una red eléctrica 6 — 20 kV 2,5 y 5%, en una red eléctrica 35 kV — 2 y 4%, en una red eléctrica de 110 kV y superior 1 y 2%.
Desequilibrio de voltaje
El desequilibrio de voltaje se produce debido a la carga de los receptores eléctricos monofásicos. Dado que las redes de distribución con tensiones superiores a 1 kV operan con neutro aislado o compensado, entonces asimetría de voltaje debido a la aparición de tensión de secuencia negativa. La asimetría se manifiesta en forma de desigualdad. tensión de línea y de fase y un factor consecutivo negativo se caracteriza:
k2U = (U2(1)/ Un) x 100%,
donde U2(1) es el valor rms del voltaje de secuencia negativa a la frecuencia fundamental del sistema de voltaje trifásico, kV. El valor U2(1) se puede obtener midiendo tres voltajes a la frecuencia fundamental, es decir, UA(1), UB (1), UB (1)... Entonces
donde yA, yB y y° C — conductividad de fase A, B y ° C del receptor.
En redes con tensiones superiores a 1 kV, la asimetría de tensión se produce principalmente por instalaciones electrotérmicas monofásicas (hornos de arco indirecto, hornos de resistencia, hornos con canales de inducción, instalaciones de electrofusión de escorias, etc.).
¿La presencia de una tensión de secuencia negativa provoca un calentamiento adicional de los devanados de excitación de los generadores síncronos y un aumento de sus vibraciones, un calentamiento adicional de los motores eléctricos y una fuerte disminución de la vida útil de su aislamiento, una disminución de la potencia reactiva generada? por condensadores de potencia, calentamiento adicional de líneas y transformadores? aumentando el número de falsas alarmas de la protección del relé, etc.
En los terminales de un receptor eléctrico simétrico, la relación de desequilibrio normalmente permisible es del 2% y la máxima permisible es del 4%.
La influencia del desequilibrio se reduce considerablemente cuando los consumidores de energía monofásicos son alimentados por transformadores separados, así como cuando se utilizan dispositivos de equilibrio controlados y no controlados, que compensan la corriente equivalente de secuencia negativa consumida por las cargas monofásicas.
En redes a cuatro hilos con una tensión de hasta 1 kV, un desequilibrio provocado por los receptores monofásicos asociados a las tensiones de fase se acompaña del paso de corriente en el hilo neutro y, por tanto, de la aparición de una tensión homopolar. .
Factor de tensión de secuencia cero k0U = (U0(1)/ Un.f.) x 100%,
donde U0 (1) — valor efectivo de la tensión homopolar de la frecuencia fundamental, kV; Un.f. — valor nominal de la tensión de fase, kV.
La cantidad U0(1) se determina midiendo las tensiones trifásicas a la frecuencia fundamental, es decir
donde tiA, vB, c° C, yO — conductividad de las fases A, B, C del receptor y conductividad del cable neutro; UA(1), UB (1), UVB (1) - Valores RMS de las tensiones de fase.
Valor admisible U0(1) limitado por los requisitos de tolerancia de tensión que se satisfacen con un factor de secuencia cero del 2 % como nivel normal y del 4 % del nivel máximo.
La reducción del valor se puede lograr mediante la distribución racional de una carga monofásica entre las fases, así como aumentando la sección transversal del cable neutro a la sección transversal de los cables de fase y utilizando transformadores en una red de distribución. con un grupo de conexión en estrella-zigzag.
Caída de tensión e intensidad de las caídas de tensión
Caída de tensión: es una reducción repentina y significativa de la tensión en un punto de la red eléctrica, seguida de una recuperación de la tensión al nivel inicial o cercano a él después de un intervalo de tiempo de varios períodos a varias decenas de segundos.
Duración de la caída de tensión ΔTpr es el intervalo de tiempo entre el momento inicial de la caída de tensión y el momento de recuperación de la tensión al nivel inicial o cercano a él (Fig. 2), es decir ΔTpr = Tvos — Trano
Arroz. 2. Duración y profundidad de la caída de tensión
Lo que significa que ΔTpr varía desde varios períodos hasta varias decenas de segundos. La caída de tensión se caracteriza por la intensidad y profundidad del hueco δUpr, que es la diferencia entre el valor nominal de la tensión y el valor efectivo mínimo de la tensión Umin durante la caída de tensión y se expresa como porcentaje del valor nominal de el voltaje o en unidades absolutas.
La cantidad δUpr se determina de la siguiente manera:
δUpr = ((Un — Umin)/ Un) x 100% o δUpr = Un — Umin
La intensidad de huecos de tensión m* representa la frecuencia de aparición en la red de huecos de tensión de una determinada profundidad y duración, es decir m* = (m (δUpr, ΔTNC)/М) NS 100 %, donde m (δUpr, ΔTNS) — número de caídas de tensión, profundidad δUpr y duración ΔTNS durante T; M — el número total de caídas de voltaje durante T.
Algunos tipos de dispositivos eléctricos (computadoras, electrónica de potencia), por lo tanto, los proyectos de suministro de energía para dichos receptores deben prever medidas para reducir la duración, intensidad y profundidad de los huecos de tensión. GOST no indica los valores permitidos para la duración de las caídas de voltaje.
Voltaje de impulso
Un aumento de voltaje es un cambio repentino en el voltaje seguido de una recuperación del voltaje a su nivel normal durante un período de tiempo de unos pocos microsegundos a 10 milisegundos. Representa el valor instantáneo máximo de la tensión de impulso Uimp (Fig. 3).
Arroz. 3. Tensión de impulso
El impulso de tensión se caracteriza por la amplitud del impulso U' imp, que es la diferencia entre el impulso de tensión y el valor instantáneo de la tensión de la frecuencia fundamental correspondiente al momento del inicio del impulso. Duración del pulso Timp — el intervalo de tiempo entre el momento inicial del pulso de voltaje y el momento de recuperación del valor instantáneo del voltaje al nivel normal. El ancho del pulso se puede calcular Timp0.5 al nivel de 0.5 de su amplitud (ver Fig. 3).
La tensión de impulso se determina en unidades relativas mediante la fórmula ΔUimp = Uimp / (√2Un)
También son sensibles a los pulsos de voltaje los receptores eléctricos como computadoras, electrónica de potencia, etc. Los voltajes de impulso aparecen como resultado de la conmutación en la red eléctrica. Se deben considerar medidas de reducción de voltaje de impulso al diseñar diseños específicos de fuentes de alimentación. GOST no especifica los valores permisibles de la tensión de impulso.
Desviación de frecuencia
Los cambios en la frecuencia se deben a cambios en la carga general y las características de los controladores de velocidad de la turbina. Las grandes desviaciones de frecuencia resultan de cambios de carga lentos y regulares con una reserva de potencia activa insuficiente.
La frecuencia del voltaje, a diferencia de otros fenómenos que degradan la calidad de la electricidad, es un parámetro de todo el sistema: todos los generadores conectados a un sistema generan electricidad a un voltaje con la misma frecuencia: 50 Hz.
De acuerdo con la primera ley de Kirchhoff, siempre hay un estricto equilibrio entre la producción de electricidad y la producción de electricidad. Por tanto, cualquier cambio en la potencia de la carga provoca un cambio en la frecuencia, lo que conlleva un cambio en la generación de potencia activa de los generadores, para lo cual los bloques «turbina-generador» están dotados de dispositivos que permiten ajustar el caudal. portador de energía en la turbina dependiendo de los cambios de frecuencia en el sistema eléctrico.
Con un cierto aumento en la carga, resulta que la potencia de los bloques "turbina-generador" se agota. Si la carga sigue aumentando, el equilibrio se establece en una frecuencia más baja: se produce una deriva de frecuencia. En este caso, estamos hablando de un déficit de potencia activa para mantener la frecuencia nominal.
La desviación de frecuencia Δf del valor nominal en está determinada por la fórmula Δf = f — fn, donde es — el valor actual de la frecuencia en el sistema.
Los cambios de frecuencia superiores a 0,2 Hz tienen un impacto significativo en las características técnicas y económicas de los receptores eléctricos, por lo tanto, el valor normal permitido de desviación de frecuencia es de ± 0,2 Hz y el valor máximo permitido de desviación de frecuencia es de ± 0,4 Hz. En los modos de emergencia, se permite una desviación de frecuencia de +0,5 Hz a — 1 Hz durante no más de 90 horas al año.
La desviación de la frecuencia de la nominal conduce a un aumento de las pérdidas de energía en la red, así como a una disminución de la productividad de los equipos tecnológicos.
Factor de modulación de amplitud de voltaje y factor de desequilibrio entre voltajes de fase y fase
El voltaje de modulación de amplitud caracteriza las fluctuaciones de voltaje y es igual a la relación de la mitad de la diferencia de la amplitud más grande y más pequeña del voltaje modulado, tomada durante un cierto intervalo de tiempo, al valor nominal o base del voltaje, es decir
kmod = (Unb — Unm) / (2√2Un),
donde Unb y Unm — la amplitud más grande y más pequeña del voltaje modulado, respectivamente.
El factor de desequilibrio entre tensiones de fasene.mf caracteriza el desequilibrio de tensión fase-fase y es igual a la relación entre la oscilación del desequilibrio de tensión fase-fase y el valor nominal de la tensión:
kne.mf = ((Unb — Unm) /Un) x 100%
donde Unb y Unm- el valor efectivo más alto y más bajo de los voltajes de fase trifásicos.
El factor de desequilibrio de voltaje de fase kneb.f caracteriza el desequilibrio de voltaje de fase y es igual a la relación entre la oscilación del desequilibrio de voltaje de fase y el valor nominal del voltaje de fase:
kneb.ph = ((Unb.f — Unm.f) /Un.f) x 100%,
donde Unb y Unm — el valor efectivo más alto y más bajo de los voltajes trifásicos, Un.f — valor nominal del voltaje de fase.
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