Электромагнитная совместимость

А. И. Гардин




ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

Учебно-практическое пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.311.1

ББК 31.2

    Г20


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры силовой электроники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» А. Б. Лоскутов;
кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроэнергетики, электроснабжения и силовой электроники ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева» А. А. Севостьянов





     Гардин, А. И.
Г20 Электромагнитная совместимость : учебно-практическое пособие / А. И. Гардин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 156 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1177-6


           Представлен теоретический материал по изучению понятий: падение напряжения, потеря напряжения и отклонение напряжения. Приведены методические указания по проведению экспериментов измерения напряжения и последующего расчета потерь и отклонения напряжения при изменении коэффициента трансформации трансформатора в системе электроснабжения.
           Для студентов направления подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» для профилей обучения «Электроснабжение и релейная защита», «Электроэнергетические системы и сети» всех форм обучения.

                                                             УДК 621.311.1
                                                             ББК 31.2









ISBN 978-5-9729-1177-6

    © Гардин А. И., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    В учебно-практическом пособии приведены методические указания по выполнению пяти лабораторных работ по курсу «Электромагнитная совместимость», выполняемых на универсальных лабораторных стендах, на основе базовых экспериментов, приведенных в [5].
    Работа № 1 предназначена для изучения лабораторных стендов по курсу «Электромагнитная совместимость». Дается описание основных блоков, используемых для базовых экспериментов. Представлен теоретический материал по изучению понятий: падение напряжения, потеря напряжения и отклонение напряжения. Приведены методические указания по проведению экспериментов измерения напряжения и последующего расчета потерь и отклонения напряжения при изменении коэффициента трансформации трансформатора в системе электроснабжения.
    В работе № 2 изучается прибор «Ресурс-ПКЭ» с целью овладения навыками по измерению показателей качества электроэнергии в электрических сетях. Приведено описание основных функций прибора. Приведены методические указания по проведению экспериментов по измерению показателей качества для напряжения в условной точке передачи электроэнергии. Позволяет студентам подготовиться к безопасному проведению измерений в реальных электрических сетях.
    Работа № 3 предназначена для изучения основных терминов и определений из стандартов по обеспечению качества электроэнергии. Приводится краткое описание терминов. Позволяет студентам подготовиться к осознанному выполнению последующих работ.
    В работе № 4 изучаются способы регулирования напряжения. Представлен теоретический материал по изучению средств регулирования напряжения. Приведены методические указания по проведению экспериментов по изучению трех способов регулирования напряжения: изменение коэффициента трансформации, продольная компенсации индуктивного сопротивления подводящей сети, поперечная компенсации реактивной мощности нагрузки.
    Работа № 5 предназначена для изучения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при несинусоидальной функции тока и напряжения в точке передачи электроэнергии. Дается описание основных ПКЭ, связанных с нарушением синусоидальности гармонических колебаний. Изучаются выпрямительные источники питания и причины возникновения не-3

синусоидальных токов и напряжения. Проводятся эксперименты по их изучению и эксперименты с устройствами, позволяющими улучшить ПКЭ. Позволяет студентам узнать причины искажения синусоидальности, показывает способы улучшения ПКЭ.
     Автор приносит благодарность рецензентам книги за ряд полезных замечаний. Особую признательность выражает А. А. Севостьянову за внедрение лабораторного практикума в учебный процесс по курсу «Электромагнитная совместимость» и личное участие в проведении занятий.
     Автор будет признателен за все замечания по содержанию книги, которые следует направлять по адресу gardinai996@gmail.com.

4

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМИРУЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА НАГРУЗКЕ

СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ 1

1. Цель работы................................................6
2. Общие определения..........................................6
3. Описание универсальных лабораторных стендов................9
4. Падение напряжения, потеря напряжения, отклонение напряжения.23
  4.1. Моделирование системы электроснабжения на стендах.....23
  4.2. Характеристики и векторные диаграммы сети с нагрузкой.26
5. Задание...................................................34
Контрольные вопросы..........................................39


5

        1. Цель работы

    1.     Изучить принципиальные электрические и функциональные схемы блоков универсального лабораторного стенда.
    2.     Уметь использовать блоки универсального лабораторного стенда для моделирования участка электрической сети.
    3.     Уметь проиллюстрировать понятия падения напряжения, потери напряжения, отклонения напряжения с использованием векторной диаграммы тока и напряжений для линии с нагрузкой на конце и согласованных вольт-амперных характеристик нагрузки и сети.
    4.     Приобрести навыки проведения экспериментов по измерению напряжения и последующего расчета потерь и отклонения напряжения при изменении коэффициента трансформации.
    5.     Знать общие определения элементов, входящих в систему электроснабжения общего назначения.

        2. Общие определения

    Универсальные лабораторные стенды предназначены для моделирования режимов работы реальных систем электроснабжения.
    Система электроснабжения общего назначения - совокупность электроустановок и электрических (электротехнических) устройств, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей электрических сетей.
    На рисунке 1 представлена система электроснабжения общего назначения (СЭС). Рассмотрим основные составляющие СЭС.
    Приемник электрической энергии или электроприемник (ЭП) - это устройство (техническое средство), предназначенное для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую и прочие). Совокупность электроприемников в сети создает электрическую нагрузку, которая выражается в единицах тока или мощности.
    Потребитель электрической энергии - ЭП или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
    Электротехническое устройство (ЭУ) - промышленное изделие, предназначенное для выполнения определенной функции при решении комплексной задачи производства, распределения и использования электрической энергии.

6

    Электрооборудование - электротехнические устройства, объединенные по различным признакам: тропическое электрооборудование, электрооборудование станций и подстанций, электрооборудование электро-технологических установок.


Главная или районная понизительная подстанция (ГПП, РПП)









Точка измерения 1 шины РУ 110 кВ ГПП

Распределительное устройство (РУ) ±3 РУ ГПП 10 кВ

Точка измерения 2: шины РУ 10 кВ ГПП

ЛЭП-1


Другие ТП, РП (нагрузка 1)

                             Точка измерения 3: шины РП 10 кВ


        | V V
         Другие ТП (нагрузка 2)

г

Распределительная подстанция (РП)

. J

Т2

Трансформаторная подстанция (ТП)

гги' ру тп од кв

     Точка измерения 4: шины РУ 0,4 кВ ТП

, Другие СП (нагрузка 3)

ЛЭП-2

Силовой пункт (СП)

                   I ..........................   I       Точка измерения 5:
С ¹----         РУ СП 0.4 кВ । шины ру ₀ ₄ сп

• • • Электроприемники
                       ’     » (нагрузка 4)


Рис. 1. Система электроснабжения общего назначения в виде трехфазной электрической сети в однолинейном исполнении


7

    Электроустановка - совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии. Более краткое определение - электроустановки - установки, в которых производится, преобразуется, потребляется электроэнергия.
    Электроустановки объединяются в СЭС, которые включают в себя: источники электроэнергии, электрические сети и потребители электроэнергии.
    Источники электроэнергии - электроустановки, в которых получают электроэнергию из любого другого вида энергии.
    Источник питания электроэнергией - электростанция, электрическая сеть, трансформаторная и преобразовательная подстанция.
    Электростанция - совокупность энергетических установок, оборудования и аппаратуры, используемых для преобразования природной энергии в электрическую, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории.
    Электрические сети - электроустановки, которые служат для передачи электроэнергии от источника к потребителю.
    Электрические сети включают в себя:
    -  трансформаторные подстанции (ТП);
    -  распределительные подстанции, пункты (РП);
    -  линии электропередачи (ЛЭП).
    Распределительные подстанции, пункты - электроустановки, служащие для приёма и распределения электроэнергии.
    Трансформаторные подстанции - электроустановки, служащие для преобразования напряжения и распределения передаваемой электроэнергии на преобразованном напряжении. Включают в себя трансформаторы, распределительные устройства (РУ) и вспомогательные сооружения (здания, помещения). В зависимости от расположения трансформаторной подстанции в электрической системе или административном образовании, их принято называть соответствующим образом. Районная понизительная подстанция (РПП) или узловая понизительная подстанция (УПП) расположена в энергетическом узле района электрических сетей. Главная понизительная подстанция (ГПП) расположена на энергетическом вводе про

8

мышленного предприятия. В случае приближения ее на территории предприятия к центру нагрузок - подстанция глубокого ввода (ПГВ). Цеховая ТП расположена в цеху промышленного предприятия.
    Преобразовательные подстанции - электроустановки, служащие для преобразования параметров электроэнергии (род тока, частота, напряжение) и распределения преобразованной электроэнергии, включают в себя преобразователи, РУ и вспомогательные сооружения (здания, помещения).
    Линии электропередачи (ЛЭП) - электроустановки, предназначенные для передачи электроэнергии.
    В завершение приведем более краткое определение СЭС. Система электроснабжения - совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.
    В данной главе рассмотрены вопросы моделирования элементов СЭС на универсальных лабораторных стендах.

        3. Описание универсальных лабораторных стендов

    Стенды выполнены в однофазном и трехфазном исполнении и предназначены для проведения лабораторного практикума по большинству курсов, изучаемых на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника».
    Аппаратная часть стендов выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит:
    -      спроектированные с учебными целями натурные аналоги элементов электрической сети и комплексной электрической нагрузки;
    -     источники питания;
    -     измерительные приборы.
    Питание стендов осуществляется от трехфазной электрической сети напряжением 380 В с нейтральным и защитным проводниками.
    Описание и технические характеристики основных функциональных блоков приведены в таблице 1.

9

Таблица 1
Описание и технические характеристики функциональных блоков лабораторного стенда

  Наименование и параметры блока     №   Обозначение       Назначение      
                                   блока                                   
   Трехфазный источник питания     201.2     G1      Моделирует питающую   
           ~400 В; 16 А                              электрическую систему 
     Трехполюсный выключатель      301.1      -         Предназначен для   
          ~ 400 В; 10 А                               коммутирования цепей 
                                                     Питает функциональные 
   Однофазный источник питания     218,      G 2      блоки электрической  
       ~ 220 В; 1,6 А, 10 А        218.2              энергией напряжением 
                                                         220 В / 50 Гц     
     Модель трехфазной линии                            Моделирует линии   
      электропередачи (ЛЭП)        313.2   А3, А4    электропередачи ЛЭП-1 
         ~ 400 В 3x0,3 А,                              и ЛЭП-2 (рис. 1.1)  
         0.1,5 Гн/0.50 Ом                                                  
     Модель однофазной линии                            Моделирует линии   
         электропередачи           313.3   А3, А4    электропередачи ЛЭП-1 
          ~ 220 В; 0,3 А                               и ЛЭП-2 (рис. 1.1)  
         0.1,5 Гн/0.50 Ом                                                  
   Трехфазная трансформаторная                             Моделирует      
              группа                                     понизительные     
        3x80 В-А (звезда)          347.3   А1, А 2   трансформаторы Т1, Т2 
~ 220, 225, 230 В / 133, 220, 225,                         (рис. 1.1)      
       230, 235, 240, 245 В                                                
                                                           Моделирует      
     Однофазный трансформатор      372.1   А1, А 2       понизительные     
    80 В-А; 220 В / 198.242 В                        трансформаторы Т1, Т2 
                                                           (рис. 1.1)      
        Активная нагрузка                             Моделируют активную  
        ~ 220 В, 0.30 Вт.          306.1     А 5     составляющую нагрузки 
  ~ 220/380 В; 50 Гц; 3x0. 50 Вт                              сети         
                                                           Моделируют      
       Индуктивная нагрузка        324.1     А 6          индуктивную      
    220/380 В; 50 Гц; 3x40 вар                            составляющую     
                                                         нагрузки сети     
                                                      Моделирует емкостную 
        Емкостная нагрузка         317.1     А 7     составляющую нагрузки 
    220/380 В; 50 Гц; 3x40 вар                                сети         
        Блок мультиметров                            Измерение напряжения, 
               3 шт                508.2     Р4         тока и активного   
  0.1000 В я; 0.10 А и;0.20 МОм                          сопротивления     
      Измеритель показателей                         Измерение показателей 
     качества электроэнергии       526.1     Р1      качества электрической
           «Ресурс-ПКЭ»                                энергии в заданной  
         ~ 3x220 / 380 В                               контрольной точке   

10

        Трехфазный источник питания


    Трехфазный источник питания предназначен для питания лабораторных схем трехфазным переменным напряжением. Конструктивно источник выполнен в виде коробки с лицевой панелью и кожухом, где размещены электрические аппараты и элементы. Они показаны на функциональной схеме (рис. 2) и принципиальной схеме (рис. 3). Функциональная электрическая схема (рис. 2 а) нанесена на переднюю лицевую панель блока. На рисунке 2б показан кожух с тыльной стороны блока, где расположены трехфазные разъемы типа вилка (штырь) и розетка (гнездо) и однофазная розетка с заземляющими контактами.

а

б
Рис. 2. Лицевая панель (а) и тыльная сторона блока источника питания с контактными разъемами (б): 1 - контактный разъем ввода блока источника питания с подключенным пятипроводным кабелем, 2 - автоматический выключатель (QF), 3 - дифференциальный выключатель (QD), 4 - контактор (KM), 5 - кнопки включения и отключения (SB2 и SB1), 6 - ключ защиты от несанкционированного включения (S), 7 - контактная перемычка (XP), 8 - светодиоды (VDH) с резисторами (R), 9 - гнезда для подключения измерительных приборов, 10 - контактные разъемы типа гнездо: трехпроводный (X3-220В) и пятипроводный (X2-380В)

11