В связи с изменением нагрузок напряжение и частота в сети не могут поддерживаться строго равными их номинальным значениям в любой момент времени и представляют собой случайные процессы, подобные изображенным на рис. 8.1. Для характеристики этих процессов используют понятия отклонений и колебаний.
Отклонениями напряжения δU и частоты δf называют отличия их значений U и f от номинальных Uном и f ном, выраженные в вольтах (герцах):
Рис. 8.1. Процессы изменения отклонений напряжения (частоты)
или процентах:
Показанные на рис. 8.1 процессы изменения отклонений напряжения (частоты) находятся внутри диапазона допустимых отклонений (отмечены пунктирными линиями). Однако внутренние структуры процессов различны: если первый представляет собой сравнительно медленно изменяющуюся во времени величину, то для второго характерны резкие ее изменения. Различно и воздействие этих процессов на ЭП. Вращающий момент двигателя, как известно, зависит от напряжения и частоты. При их отклонении от поминальных значений рабочие характеристики двигателя изменяются.
Однако если отклонения находятся в допустимых пределах, то и его характеристики также находятся в допустимых пределах. В то же время резкое изменение отклонений напряжения и частоты даже внутри их допустимых диапазонов приводит к нежелательным явлениям. Резкие изменения момента на валах двигателей приводят к сокращению срока их службы, нарушениям технологического процесса (особенно на производствах, где требуется стабильная скорость вращения двигателей).
Резкие изменения напряжения влияют на осветительные приборы и телевизоры, вызывая мигание ламп и экранов. На производстве это приводит к снижению производительности труда вследствие утомляемости зрения (особенно при работах, связанных со зрительным напряжением), а в быту – к ощущению дискомфорта.
Для характеристики этого явления используют понятия колебаний напряжения и частоты. Колебания напряжения характеризуют фактически вид изменения отклонения напряжения во времени. На практике к колебаниям напряжения относят его изменения, происходящие со скоростью более 1 %/с, а к колебаниям частоты – происходящие со скоростью более 0,2 Гц/с. Указанные граничные значения не имеют строгих обоснований и установлены исходя из общих соображений.
Следует обратить внимание на то, что период измерения нельзя делить на периоды отклонений и колебаний напряжения (частоты), так как отклонения имеют место всегда, в том числе и во время колебаний. Но если напряжение в часы максимума нагрузки поддерживалось, например, на уровне –3 %, а затем, медленно изменяясь, достигло значения +7 % и держалось на этом уровне в течение ночного периода, то колебания напряжения в данном случае отсутствовали. Диапазон от –3 до + 7 % можно назвать суточным диапазоном изменения отклонений напряжения, но не колебаниями напряжения за сутки.
Для РН используют трансформаторы, с помощью которых можно изменять коэффициент трансформации, не отключая трансформатор от сети (трансформаторы с РПН). При большом диапазоне изменения передаваемой по сети реактивной мощности потери напряжения также существенно изменяются, и располагаемый диапазон регулирования трансформатора может оказаться недостаточным для того, чтобы скомпенсировать изменение потерь напряжения. Уменьшение диапазона изменения реактивной мощности достигается регулированием ее источников.
Использование второго способа предпочтительнее, поэтому на практике целесообразно максимально использовать располагаемый диапазон регулирования реактивной мощности ее источников, а дополнительное РН производить с помощью трансформаторов с РПН.
Отклонения напряжения имеют различные значения в разных точках сети, так как потери напряжения и его добавки, создаваемые трансформаторами, не одинаковы для всех точек. Такие параметры называют локальными. Отклонение частоты одинаково для всей электрически связанной сети, так как уровень частоты определяется частотой вращения генераторов. В нормальных стационарных режимах все генераторы имеют одинаковую (синхронную) частоту. Поэтому отклонение частоты является общесистемным параметром.
Если располагаемая мощность первичных двигателей (турбин) больше мощности потребителей (включая потери в сети), поддержание нормальной частоты не встречает трудностей. Рост нагрузки покрывается за счет увеличения рабочей мощности первичных двигателей, что достигается путем увеличения расхода топлива на тепловых электростанциях или воды на ГЭС.
Если нагрузка потребителей превышает мощность первичных двигателей, происходит затормаживание последних и частота в системе снижается. Если бы нагрузка состояла только из нагревательных и осветительных ЭП, потребляемая мощность которых не зависит от частоты (регулирующий эффект по частоте равен нулю), этот процесс закончился бы полной остановкой генераторов.
Однако большинство ЭП имеет положительный регулирующий эффект по частоте, то есть снижает потребляемую мощность при снижении частоты. Поэтому при новом значении частоты опять наступает баланс между генерируемой и потребляемой мощностью.
Подавляющая часть двигательной нагрузки с постоянным моментом на валу имеет регулирующий эффект, равный единице (снижение потребления на 1 % на каждый процент снижения частоты), а нагрузка с падающим моментом на валу (вентиляторы, насосы и т. п.) – равный трем. Смешанная нагрузка имеет регулирующий эффект по частоте, близкий к единице.
Длительные снижения частоты обусловлены недостаточностью мощности электростанций для покрытия нагрузки потребителей, что может наблюдаться в послеаварийных режимах. Нормализацию частоты в этих случаях обеспечивают с помощью снижения нагрузок некоторых потребителей в соответствии с соглашениями о добровольном ограничении нагрузки.
Колебания напряжения и частоты вызываются работой ЭП с резкопеременным характером потребления мощности (прокатные станы, дуговые сталеплавильные печи, сварочные агрегаты). Практически во всех случаях колебания напряжения и частоты сопровождают друг друга: при этом резко изменяется характер потребления как активной, так и реактивной мощности.
Изменяющаяся продольная составляющая вектора падения напряжения приводит в основном к изменению модуля напряжения, а изменяющаяся поперечная составляющая – к изменению угла вектора напряжения. При набросе нагрузки угол вектора напряжения увеличивается, что приводит к увеличению периода синусоиды в течение наброса (снижению частоты), а при сбросе нагрузки – наоборот. Изменение частоты δf связано с изменением угла вектора напряжения δϕ, град, и продолжительностью наброса нагрузки t б , с, соотношением:
Изменение угла вектора напряжения определяют по формуле:
При периодических набросах и сбросах нагрузки частота в течение времени наброса t б будет ниже рабочего значения на δf, затем (в течение времени постоянной нагрузки) равной рабочему значению, а в течение времени сброса нагрузки – выше рабочего значения на δf.
Теоретически в момент наброса нагрузки должна дополнительно снизиться рабочая частота во всей энергосистеме – для обеспечения принудительного баланса между возрастающей нагрузкой и не успевающей измениться мощностью первичного двигателя. Затем регулятор двигателя увеличит его обороты, обеспечив нарастание частоты до нужного значения.
Практически же этого влияния на общесистемный уровень частоты не наблюдается, так как, с одной стороны, мощность отдельной резкопеременной нагрузки мала по сравнению с суммарной мощностью системы, а с другой стороны, инерционность генераторов сглаживает даже эти незначительные колебания. Поэтому колебания частоты, как и колебания напряжения, являются локальными параметрами, имеющими различные значения для различных точек сети и определяемыми не изменениями скорости вращения генераторов, а изменениями поперечной составляющей вектора падения напряжения в сети.
