Значительное влияние напряжения сети на работу электроприемников заставляет уделять большое внимание поддержанию напряжения на зажимах потребителей, близкого к номинальному напряжению. Подводимое к потребителям напряжение является одним из качественных показателей электроэнергии.
Изменения напряжения в сети можно классифицировать следующим образом:
1. Медленно протекающие изменения напряжения, которые обычно и бывают при работе сети. Эти изменения называются отклонениями напряжения. Отклонения напряжения определяются как разность действительного напряжения на зажимах электроприемников и номинального напряжения. Отклонения напряжения могут быть отрицательными и положительными величинами. Первым соответствуют понижения напряжения по отношению к номинальному, вторым - повышения напряжения.
Отклонения напряжения в электрических сетях обусловливаются изменениями нагрузок сети, режимов работы электростанций и т. д.
2. Быстро протекающие изменения напряжения вследствие аварий в электрических системах и других причин. В качестве примеров можно указать на короткие замыкания, качание машин, включение и отключение одного из элементов установки и т. п. Быстро протекающие изменения называются колебаниями напряжения.
Все приемники электрической энергии конструируются для работы при определенном номинальным напряжении. Отклонения напряжения от номинального на их зажимах ведет к ухудшению работы электроприемников.
Изменение основных характеристик ламп накаливания в зависимости от напряжения на их зажимах дано на рис. 1.
Рис. 1. Характеристики ламп накаливания: 1 - световой поток, 2 - светоотдача, 3 - срок службы (цифры на ординате для кривых 1 и 2).
Приведенные кривые показывают большое влияние напряжения на работу ламп накаливания. Например, снижению напряжения на 5% соответствует уменьшение светового потока на 18%, а понижение напряжения на 10% вызывает снижение светового потока лампы более чем на 30%.
Снижение светового потока ламп приводит к уменьшению освещенности рабочего места, в результате чего уменьшается производительность труда и ухудшаются качественные показатели.
Плохое освещение рабочих мест, проходов, улиц и т. д. увеличивает количество несчастных случаев с людьми. Понижение напряжения ухудшает к. п. д. ламп накаливания. Снижение напряжения на 10% уменьшает световую отдачу лампы (лм/м/вт) на 20%.
Повышение напряжения сети приводит к увеличению к. п. д. ламп. Но повышение напряжения влечет за собой резкое уменьшение срока службы ламп. При повышении напряжения на 5% срок службы ламп накаливания уменьшается вдвое, а при повышении на 10% - более чем в 3 раза.
Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения сети. Отклонения напряжения на 1 % в среднем вызывают изменение светового потока лампы на 1,25%.
У бытовых нагревательных приборов (плитки, утюги и т. п.) нагревательные элементы состоят из активных сопротивлений. Мощность, отдаваемая ими в зависимости от напряжения сети, выражается уравнением
P = I2R = U2/R
показывающим, что снижение напряжения сети вызывает резкое уменьшение мощности, отдаваемой нагревательным прибором. Последнее приводит к значительному увеличению времени работы прибора и перерасходу электроэнергии на приготовление пищи и т. д.
Характеристики всех других бытовых электроприборов также зависят от подведенного напряжения. При изменениях напряжения на зажимах электродвигателей изменяются вращающий момент, потребляемая мощность и срок службы изоляции обмоток.
Вращающие моменты асинхронных электродвигателей пропорциональны квадрату приложенного к их зажимам напряжения. Если момент двигателя при номинальном напряжении принять за 100%, то при напряжении 90%, например, вращающий момент составит 81%. Сильное снижение напряжения может даже привести к остановке электродвигателей или невозможности пустить электродвигатель, приводящий в движение машину с тяжелыми условиями пуска (подъемники, дробилки, мельницы и т. д.). Недостаточные (вращающие моменты электродвигателей могут явиться причиной брака продукции, порчи полуфабриката и т. п.
Зависимости изменения потребляемой электродвигателями мощности от напряжения при стационарном режиме работы системы называются статическими характеристиками электрической нагрузки потребителей.
При понижении напряжения активная мощность, потребляемая электродвигателем, уменьшается вследствие уменьшения вращающего момента и связанного с этим увеличения скольжения.
Увеличение скольжения вызывает возрастание потерь активной мощности в двигателе. При увеличении напряжения скольжение уменьшается и потребная для привода механизма мощность увеличивается. Потери активной мощности в электродвигателе уменьшаются.
Анализ показывает, что активная нагрузка от электродвигателей при изменениях напряжения, соответствующих нормальным режимам работы системы, меняется незначительно и потому может приниматься постоянной.
Изменение реактивной нагрузки электродвигателей от напряжения зависят от соотношения реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности рассеяния двигателей. Реактивная мощность намагничивания изменяется примерно пропорционально четвертой степени напряжения. Реактивная мощность рассеяния, зависящая от тока электродвигателей, изменяется обратно пропорционально примерно второй степени напряжения.
При снижениях напряжения против номинального (до некоторой величины) реактивная нагрузка электродвигателей всегда снижается. Объясняется это тем, что реактивная мощность намагничивания, составляющая до 70% всей реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, снижается быстрее, чем увеличивается реактивная мощность рассеяния.
Зависимости потребления реактивной мощности от напряжения сети для некоторых потребителей приведены на рис. 2. Эти кривые - статические характеристики электрических нагрузок потребителей в целом, т. е. с учетом влияния на них трансформаторов, освещения и т. д.
Рис. 2. Статические характеристики электрических нагрузок: 1 - бумажный комбинат, cosφ = 0,92, 2 - металлообрабатывающий завод, cosφ = 0,93, 3 - текстильная фабрика, cosφ = 0,77.
Кривая 1 бумажного комбината идет очень круто. Чем меньше загрузка двигателей и чем выше коэффициент мощности их при номинальном напряжении, тем круче идет кривая зависимости потребляемой реактивной мощности от напряжения сети. Длительное снижение напряжения на 10% на зажимах электродвигателей при полной их загрузке приводит вследствие более высокой температуры обмоток к износу изоляции двигателей примерно вдвое скорее, чем при номинальном напряжении.