Влияние изменения частоты на работу электрических систем
Для электроэнергии основные показатели качества: напряжение и частота, для тепловой энергии: давление, температура пара и горячей воды. Частота связана с активной мощностью (Р), а напряжение с реактивной мощностью (Q).
Все вращающиеся машины и агрегаты рассчитаны таким образом, что экономический коэффициент полезного действия достигается при номинальном числе оборотов в минуту: n = 60f/p ,
где: n — число оборотов в минуту, f — частота тока в сети, p — число пар полюсов.
Частота переменного тока , вырабатываемая генераторами, есть функция числа оборотов турбины. Число оборотов механизмов — функция частоты.
На рис. 1 представлены относительные статические характеристики нагрузки для энергосистемы по частоте.
Анализ зависимостей на рис.1 показывает, что при уменьшении частоты снижается число оборотов двигателя, снижается производительность машин и механизмов.
1. Текстильная фабрика дает брак при изменении частоты от номинальной, т к. изменяется скорость движения нити и станки дают брак.
2. Насосы (питательные), вентиляция (дымососы) тепловых электростанций зависят от числа оборотов: давление пропорционально « n 2 », потребляемая мощность « n 3 », где n — число оборотов в минуту;
3. Активная мощность нагрузки синхронных двигателей пропорциональна частоте (при снижении частоты на 1%, активная мощность нагрузки синхронного двигателя уменьшается на 1%);
4. Активная мощность нагрузки асинхронных двигателей уменьшается на 3% при снижении частоты на 1%;
5. Для энергосистемы снижение частоты на 1% приводит к уменьшению суммарной мощности нагрузки на 1-2%.
Изменение частоты влияет на работу самих электростанций. Каждая турбина рассчитана на определенное число оборотов, то есть при падении частоты снижается вращающий момент турбины. Падение частоты влияет на собственные нужды электростанции и в результате может наступить нарушение работы агрегатов станции.
При понижении частоты из-за нехватки активной мощности снижается нагрузка потребителей, чтобы поддержать частоту на прежнем уровне . Степень изменения нагрузки при изменении частоты на единицу называется регулирующим эффектом нагрузки по частоте . Процесс нарушения устойчивой работы электростанции из-за падения частоты и при отсутствии резерва активной мощности называется лавиной частоты.
Если f =50 Гц, критическая частота при которой производительность основных механизмов собственных нужд электростанций снижается до нуля и наступает лавина частоты — 45 — 46 Гц.
При падении частоты снижается э.д.с. генератора (т.к. понижается скорость возбудителя) и снижается напряжение в сети.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Почему в сетях не используется безопасная высокая частота тока?
Почему до сих пор остаётся предельно низкая 50-60 Гц? Понятно, что так построили в 20-ых годах, но почему так долго не повышают качество электроэнергии, ведь плюсы очевидны. Огромная экономия на металлах и топливе, а главное никого больше не убьёт током. В электротехнике я разбираюсь, не надо писать глупости типа — не выгодно, большие потери. Так учат школьников, а почему реально ничего не меняют, я не нашёл ответа в интернете. Кроме как заговором монополистов это не обьяснить. Может кто знает об этом больше?
А сколько это 50 Гц, много или мало? Не так уж мало, всего лишь 3000 оборотов в минуту. Все электрогенераторы приводятся в движение турбинами (гидравлическими, или паровыми), и эти агрегаты вращаются со скоростью 3000 об/мин. А какими должны быть обороты чтобы генерировать частоту хотя бы 1000 Гц (1 кГц)? 60000 об/мин. И как Вы себе представляете такой агрегат на таких оборотах?
И почему Вы решили, что "качество электроэнергии" пропорционально её частоте? И какие Плюсы, которые очевидны, Вы видите? За счёт чего же возникнет экономия на металлах? И причём здесь топливо? И почему Вы решили, что высокочастотный ток не убивает?
И кто Вам сказал, что в электротехнике Вы разбираетесь? Если бы Вы хотя бы знали, что такое индуктивность, и что такое индуктивное сопротивление, и как оно зависит от частоты, Вы бы такую глупость не написали. (Хоть Вы и просили не писать про глупость, но другого более мягкого слова не подобрать).
А почему в интернете должен быть ответ — опровержение на такую глупость. Наверное никому и в голову не пришло, что кто-то может задать такой вопрос, вот и не заготовили ответ.
Кто знает об этом больше? Наверное об этом знают инженеры-электронщик и. Вы заканчивайте побыстрее школу, а потом поступайте в соответствующий ВУЗ. Когда выучитесь, тогда и Вы будете знать об этом больше.
Неверна уже сама исходная посылка — насчёт якобы "безопасности" тока повышенной частоты. Если меня паче чаяния [зачёркнуто]. приласкает напряжением в 220, то какая у него частота — уже совершенно по фигу.
Ну и дальше можно поговорить о том, почему об этом не пишут в интернетах. Скорее всего потому, что достаточно исходных данных представлено в учебниках.
Ну вот и смотрим: выгодно — невыгодно. Основные потери при передаче электроэнергии — это сопротивление линий, излучение и потери в трансформаторы на вихревых токи и перемагничивание сердечников.
Сопротивление провода зависит от частоты из-за скин-эффекта. Это не индуктивный эффект — это в чистом виде активное сопротивление. И на частоте 400 Гц оно почти втрое выше, чем на 50 Гц. Индуктивность линии, ясен пень, тоже вносит свою лепту из-за ухудшенного соинуса фи, что увеличит токовую нагрузку на линию при той же передаваемой автикной мощности и опять же повысит резистивные потери.
Потери на излучение: ЛЭП — немаленькая антенна. И чем выше частота — тем эффективнее эта антенна излучает энергию, вместо чтоб тихо и мирно передавать её без потерь.
Потери в трансформаторах: тоже должно быть понятно из учебника. Чем выше частта тем пропорционально больше потери на перемагничивание. А потери на вихревые токи — больше непропорциональн о. Они растут нелинейно и быстрее, чем линейная функция частоты. Согласитесь, что греть трансформаторы, которые и так требуют сложных систем охлаждения, — это не то, ради чего стоит тратить электричество.
Смотрим дальше: основное энергопотребление — это не электроплиты и не лампочки. И даже не телевизоры. Львиная доля идёт в промышленость, в основном крутить моторчики. А моторчики по большей части крутятся с частотой сети. Вот те самые 3000 об/мин. Внимание, вопрос: как должны выглядеть двигатели на 24000 об/мин.? Дополнительные вопрос: как вы себе представлете массовый переход с одной частоты ны другую даже в масштабе одного цеха, а не то что всей страны?
И на сладкое: а с чего это вдруг будет экономия на топливе? Если мне надо получить стопиццотмульёнов киловат-часов электроэнергии, то мне понадобиться сжечь два споловиной раза по столько топлива. Какая там частота этой энерии — по фигу, потому что кпд турбины от номинала генерируемой частоты зависит мало. А закон сохранения энергии меж тем никто не отменял.
"В таком вот аксепте", как говорил один персонаж известной книжки.
Тема 5.1. Баланс мощностей и регулирование частоты в энергосистеме
На постоянном токе поток носителей электрозарядов не меняет свое направление во времени, хотя мгновенная его величина может меняться. На переменном токе ток периодически изменяет направленность. Количественная характеристика этого изменения – это частота электрического тока.
Измерение частоты тока осциллографом
Участие электростанций различного типа в покрытии суммарной нагрузки энергосистем
Суммарные графики нагрузки энергосистем неравномерны. Коэффициент заполнения графиков довольно низок – kзап= 0,5…0,7 – и имеет тенденцию к дальнейшему снижению ввиду появления в энергосистемах новых типов потребителей и изменения структуры энергопотребления.
Распределение нагрузки между отдельными электростанциями с целью покрытия суммарного графика нагрузки энергосистемы производят, исходя из особенностей технологического режима электростанций различного типа, с тем, чтобы получить в целом по системе положительный хозяйственный эффект. При этом в базовую часть графика нагрузки в непаводковый период помещают АЭС, ТЭЦ, частично КЭС, ГЭС без водохранилищ, а также частично ГЭС с водохранилищами. В полупиковую часть графика помещают КЭС, а в пиковую часть – ГЭС. Во время паводка мощность ГЭС в базовой части графика нагрузки увеличивается, с тем, чтобы после заполнения водохранилищ не сбрасывать бесполезно избыток воды через водосливные плотины. При этом большая доля мощности КЭС и частично мощности ТЭЦ вытесняется в полупиковую часть графика нагрузки.
Зная графики нагрузки электростанций, можно планировать ремонт оборудования. Агрегаты ГЭС, как правило, ремонтируют зимой, а ТЭС и АЭС – весной и летом. Изменения нагрузки и установленной мощности электростанции в системе в течение года взаимосвязаны.
В энергосистеме должны быть предусмотрены резервы: эксплуатационный (ремонтный, режимный, аварийный), составляющий примерно 10…12 % установленной мощности энергосистемы, и хозяйственный, составляющий около 3 %. Считается, что для нормального функционирования энергосистемы ее общий резерв должен составлять 13…15 % установленной мощности. На практике разность между установленной мощностью электростанций и их фактической нагрузкой в каждый данный момент не есть резервная мощность энергосистемы в обычном понимании.
С учетом устойчивости и надежности работы энергосистемы мощность наиболее крупного агрегата, как показывает опыт эксплуатации, нормально не должна превышать 1,5…3 % установленной мощности энергосистемы. Следовательно, крупные агрегаты мощностью 500, 800 и 1200 МВт могут устанавливаться только в относительно мощных энергосистемах.
Определение частоты и периода
Колебания потока зарядов происходят циклически, по синусоидальному закону. Протяженность одного такого цикла, выраженная в секундах, – это период переменного тока (Т).
Частота тока определятся количеством колебательных циклов за 1 секунду. Другими словами, это скорость, с которой ток меняет направление. Буквенный символ, обозначающий частоту, – f.
Взаимосвязь частоты и периода, выраженная математически, определяется формулой:
Справедлива и обратная зависимость:
Период переменного тока
При расчетах частота переменного тока измеряется в герцах (Гц). Если током совершается 1 колебательный цикл в секунду, то f = 1 Гц.
Важно! Пятьдесят колебательных циклов за 1 секунду соответствуют 50 Гц. Это промышленная частота электрического тока в России.
Иногда в расчетах применяется угловая частота:
единица измерения этого показателя – рад/с.
1 радиан = 360°/2π.
Некоторые общие частотные диапазоны:
- 50-60 Гц – частота тока в энергосистеме (60 Гц применяется, например, в США);
- 1-20 кГц (килогерц) – частотно-регулируемые приводы;
- 16 Гц -20 кГц – аудиочастоты (диапазон человеческого слуха);
- 3 кГц-3000 ГГц (гигагерц) – радиочастоты.
Какие есть фазы в токе
Многофазным может быть только переменный ток. Всего существует 3 разных фазы, и все они смещены на 120 градусов относительно друг друга. Каждая электростанция выдает по 4 провода: 3 фазовых и один для заземления, который является общим для всех трех. Электростанция вырабатывает три разные фазы переменного тока одновременно, и эти три фазы смещены строго под определённым углом.
Устройство фаз
Почему три фазы? Почему не одна, две или четыре? В 1-фазных и 2-фазных источниках питания имеет место явление, когда синусоида пересекает нулевую отметку 120 раз в секунду. При трехфазном питании в любой текущий момент одна из трех фаз приближается к пику. Таким образом, мощные 3-фазные двигатели (используемые в промышленности) и другие устройства, такие, как 3-фазное сварочное оборудование, имеют равномерную выходную мощность.
Важно! Четыре фазы существенно не улучшат ситуацию, но зато добавят четвертый провод, что повысит сложность многих работ и обслуживания, поэтому 3 фазы – это общепринятое и оптимальное значение.
Трехфазный
Трехфазная электроэнергия является распространенным методом генерации, передачи и распределения электроэнергии переменного показателя. Это тип многофазной системы и наиболее распространенный метод, используемый электрическими сетями во всем мире для передачи энергии. Он также используется для питания больших двигателей и при возникновении тяжелых нагрузок.
Трехфазная цепь, как правило, более экономична, чем эквивалентная двухпроводная однофазная при том же напряжённости линии и заземлении, поскольку для передачи заданного количества электрической энергии используется меньше материала проводника.
Интересный факт: Многофазные энергосистемы были изобретены Галилео Феррари, Михаилом Доливо-Добровольским, Йонасом Венстремом, Джоном Хопкинсоном и Николой Теслой ещё в конце 1880-х годов, и основные принципы работы применяются вплоть до сегодняшнего дня.
Двухфазный
Двухфазная электрическая мощность была единственной доступной системой распределения электроэнергии переменного тока в начале 20-го века. В то время использовались две цепи, причем фазы напряжения отличались на четверть цикла, то есть, на 90°. Обычно в схемах применялись четыре провода, по два на каждую фазу. Реже применялись три провода с общим сердечником, но большего диаметра. Некоторые двухфазные генераторы прошлых лет имели две полные роторные сборки с физически смещенными обмотками для обеспечения двухфазной мощности.
На сегодняшний день двухфазный тое приобрёл широкое распространение в быту, так как каждый потребитель – житель квартиры или частного дома имеет определённое количество точек подключения бытовых приборов малой мощности.
Важно! При стандартной работе наиболее распространённых домашних приборов двухфазная электрическая цепь в полном объёме удовлетворяет потребности владельцев жилой недвижимости.
Турбогенераторные установки на Ниагарском водопаде, построенные в 1895 году, были крупнейшими в мире на то время и представляли собой именно двухфазные машины. Однако, в конечном итоге, трёхфазные системы заменили безнадёжно устаревшие и малоэффективные оригинальные агрегаты для генерации и передачи энергии. В настоящее время в мире осталось мало промышленных двухфазных распределительных систем, например, в Филадельфии, штат Пенсильвания.
Взаимосвязь частоты и работы электрооборудования
Схемы и электрооборудование предназначены для работы с фиксированной или переменной частотой.
Для электротехники, нормально функционирующей при фиксированной частоте, изменение этого показателя вызовет нарушения в работе. Например, электродвигатель на 50 Гц будет работать медленнее при частотном значении ниже 50 Гц и быстрее, если частотный показатель выше 50 Гц.
Важно! Между частотой и скоростью электродвигателя существует пропорциональная зависимость. Однопроцентное отклонение частоты приведет к такому же изменению скорости двигателя.
Вторичное регулирование частоты (АВРЧМ)
Вторичное регулирование частоты — процесс восстановления планового баланса мощности путём использования вторичной регулирующей мощности для компенсации возникшего небаланса, ликвидации перегрузки транзитных связей, восстановления частоты и использованных при первичном регулировании резервов первичной регулирующей мощности. Вторичное регулирование осуществляется автоматически под воздействием центрального регулятора.
Вторичное регулирование начинается после действия первичного и предназначено для восстановления номинальной частоты и плановых перетоков мощности между энергосистемами в энергообъединении.
В основном во вторичном регулировании участвуют гидроэлектростанции (ГЭС) в связи с их маневренностью. Все крупные ГЭС России подключены к системе АВРЧМ для участия во вторичном регулировании и получают в режиме реального времени (характерный цикл информационного обмена — 1 сек) задание вторичной мощности, которое через групповой регулятор активной мощности (ГРАМ) поступает непосредственно на исполнение системами управления гидроагрегатами.
В период паводка для наиболее экономичного срабатывания паводковой воды в гидротурбинах к АВРЧМ привлекаются и электростанции других типов (ТЭС, ПГУ). Участие ТЭС, ПГУ в АВРЧМ осуществляется в рамках работы рынка системных услуг.
Частотомер
Частотные изменения позволяет регистрировать частотомер. Такие приборы конструируются с использованием нескольких способов измерения:
- Дискретный счет. Применяется в цифровых приборах. Основан на вычислении количества сигналов за временную единицу;
- Перезаряд конденсаторов. Усредненный показатель силы тока, при которой перезаряжается конденсатор, соразмерен частоте. Ток фиксируется амперметром, а шкала устройства представлена в герцах;
- Сравнение частот. Прибором для использования этого способа часто является осциллограф, где происходит сравнение частотного значения с эталонным образцом;
- Вибрационные частотомеры. Содержат тонкие пластины из металла, закрепленные с одной стороны, которые начинают колебаться под воздействием электромагнитного поля, создаваемого в приборе. Пластина, частота колебаний которой резонирует с частотой колебаний электромагнитного поля, покажет искомое значение. Приборы применяются для замеров частотного показателя в питающей сети.
Предисловие
Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0—2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2—2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные. правила, рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Системный оператор Единой энергетической системы» (АО «СО ЕЭС»)
2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 июня 2021 г. Ne 100-П)
За принятие проголосовали:
по МК (ИСО 3166) 004-97
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 3 августа 2021 г. № 801 -ст межгосударственный стандарт ГОСТ 34184—2017 введен в действие в качестве национального стандарта с 1 марта 2021 г.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменении и поправок — в ежемесячном информационном указателе кНациональные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет ()
В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен. тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Нормируемые требования к показателям
В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.
Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.
Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.
То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.
Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;
Напряжение или разность потенциалов?
Надо заметить, что напряжение и разность потенциалов — это одно и то же. По сути, это сила, которая способна заставить электрические заряды двигаться потоком. Не имеет значения, куда будет направлено это движение.
Разность потенциалов — просто другое выражение для напряжения. Оно нагляднее и, может быть, понятнее, но сути дела не меняет. Поэтому главный вопрос состоит в том, откуда берется напряжение, и от чего оно зависит.
В том, что касается домашней сети 220 Вольт, ответ простой. На гидростанции поток воды вращает ротор генератора. Энергия вращения трансформируется в силу напряжения. Атомная электростанция вначале превращает воду в пар. Он и крутит турбину. В бензоэлектростанции ротор вращает сила сгорающего бензина. Есть и другие источники, но суть всегда одна и та же: энергия превращается в напряжение.
Самое время задаться вопросом о зависимости напряжения от частоты. Но мы еще не знаем, откуда берется частота.
Зависимость тока и частоты: требования, формула, влияние
Частота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.
Нормируемые требования к показателям
В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.
Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.
Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.
То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.
Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;
Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1).
Влияние частоты тока на электроприборы
Далее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 – 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры.
Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты – к снижению момента вращения.
Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте.
Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций.