Причины снижения качества электроэнергии. Ухудшение показателей качества электроэнергии, источники нарушений, методы уменьшения

Электричество — самый универсальный и удобный вид энергии. Оно стало настолько привычным и так плотно вошло в наш быт и производство, что даже кратковременное его отсутствие вызывает массу не- удобств. В ряде случаев непредвиденное отключение электроэнергии представляет социальную опасность, может стать причиной техногенных катастроф, в связи с чем действующими техническими нормативными правовыми актами (ТНПА) — Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ТКП 339-2011 (02230) и др. — предусмотрены категории надёжности электроснабжения, требующие для отдельных потребителей резервирования и автономных источников питания. По разным причинам, в основе которых пребывание преимущественно в государственной собственности большинства промышленных потребителей и монополия на производство, передачу и распределение электроэнергии, последняя не рассматривалась как товар. Товар соответствующего качества, определяемого совокупностью его характеристик, а также обладающего спецификой и особенностями, заключающимися в его одновременном, как правило, производстве и потреблении. Даже сейчас, когда электрическая энергия определяется в ТНПА как товар, её восприятие в этом статусе отодвинуто в нашей стране на второй и даже на третий план. Традиционный товар можно посмотреть, оценить по качеству и цене, выбрать производителя и т. д. В отношении электрической энергии, по большому счёту, должно быть аналогично (естественно, с учётом специфики этого товара).
Если не принимать во внимание малоэффективные попытки, предпринятые в последние полтора десятилетия, связанные с введением в практику ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», то можно сказать, что несмотря на высокую значимость электроэнергии, вопросам её качества, как одной из основных характеристик этого товара, у нас в стране должного внимания не уделяется. Сложность и актуальность вопроса обусловлена как её всеобъемлющим, повсеместным применением, так и тем, что эта проблема напрямую затрагивает взаимоотношения потребителя и продавца электроэнергии. При этом, если при покупке товара претензии к его качеству может предъявить покупатель, то в нашем случае всё может быть и наоборот: виновником плохого качества электроэнергии может оказаться и потребитель.
Требования к параметрам качества электроэнергии на законодательном уровне Правила устанавливают порядок взаимоотношений между потребителем и энергоснабжающей организацией, в том числе по таким вопросам, как условия снабжения и пользования электрической энергией. В Правилах она имеет статус товара, который в том числе должен быть соответствующего качества, которое определяется показателями качества электроэнергии (ПКЭ), отражающими соответствие её параметров требованиям, установленным действующими ТНПА. Приведём те положения Правил, которые касаются качества электроэнергии:
- в заявлении на получение технических условий (ТУ) должны содержаться специальные требования к качеству электрической энергии, допустимым перерывам в электроснабжении, обусловленные технологическим процессом использования электрической энергии (п. 10);
- энергоснабжающая организация при подготовке ТУ должна включить в них требования к мероприятиям по обеспечению требуемого ка- чества электрической энергии (п. 13);
-существенными условиями договора электроснабжения является предмет договора — обязанность энергоснабжающей организации обеспе- чить подачу электрической энергии в количестве, сроки и по качеству, соответствующим условиям договора электроснабжения и требованиям ТНПА (п. 57);
-энергоснабжающая организация обязана на границе балансовой принадлежности обеспечивать подачу абоненту электрической энергии в количестве, сроки и по качеству, соответствующим условиям договора электроснабжения, Правилам и иным положениям законодательства (пп. 84, 88);
- энергоснабжающая организация после предварительного письменного предупреждения потребителя имеет право прекратить подачу электрической энергии на его электроустановки полностью или частично в случаях снижения ПКЭ по вине абонента, потребителя до значений, нарушающих нормальное функционирование электроустановок энергоснабжающей организации и других потребителей (п. 92);
- в целях обеспечения надёжной, экономичной и безопасной эксплуатации электроустановок абоненты (кроме граждан, использующих электрическую энергию для бытового потребления) обязаны производить контроль показателей ка-чества электрической энергии, определяемых работой электроустановок, проводить мероприятия по улучшению качества электрической энергии в электрических сетях, находящихся в их хозяйственном ведении (п. 98);
- гражданину, использующему электрическую энергию для бытового потребления, не допускается включение в электрическую сеть электроприёмников, ухудшающих качество электрической энергии (п. 105);
- энергоснабжающая организация несёт ответ- ственность перед абонентом за невыполнение требований по качеству поставляемой электри-ческой энергии и надёжности электроснабжения, определённых условиями договора электро- снабжения. При подаче абоненту электрической энергии несоответствующего качества (с отклонениями от установленных в договоре электроснабжения параметров) энергоснабжающая организация возмещает причинённый абоненту реальный ущерб (п. 221);
- при нарушении абонентом условий договора электроснабжения или требований Правил, в результате чего произошёл недоотпуск электрической энергии другим потребителям или отклонение параметров качества электрической энергии, абонент возмещает энергоснабжающей организации реальный ущерб с учётом сумм, выплаченных энергоснабжающей организацией другим потребителям (п. 228);
- потребитель обязан принимать меры по предотвращению негативного влияния электроприёмников на качество электрической энергии в элек трической сети энергоснабжающей организации (п. 233). Упомянутым выше ГОСТ 13109-97 установлены 11 основных нормируемых ПКЭ:
- установившееся отклонение напряжения;
- размах изменения напряжения;
- доза фликера;
- коэффициент искажения синусоидальности кри- вой напряжения;
- коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения;
- коэффициент несимметрии напряжений по об- ратной последовательности;
- коэффициент несимметрии напряжений по нуле- вой последовательности;
- отклонение частоты; Ε длительность провала напряжения;
- импульсное напряжение; Ε коэффициент временного перенапряжения. Несоответствие каждого из ПКЭ по-своему сказы- вается на работе электроустановок разного типа.

Заключение
Развитие сетей и внедрение новых электрических устройств только повышают актуальность проблем качества электроэнергии. Возрастающее количество нелинейной нагрузки, с одной стороны, ухудшает ПКЭ в сети, а применение чувствительных электронных устройств, с другой стороны, требует, чтобы эти ПКЭ находились в жёстко заданных пределах.
Очевидно, что с развитием электроэнергетики актуальность нормирования и контроля параметров качества электроэнергии будет возрастать.
Начинать нужно с малого: решать существующие проблемы и не доводить ситуацию до критической.
Ключевыми моментами в вопросах качества электроэнергии являются законодательная база (построение отношений между энергоснабжающей организацией и потребителем) и наличие инженерных (технических) возможностей для выявления и устранения недопустимых отклонений ПКЭ.
Недостаточная проработка любого из указанных факторов внесёт диссонанс в р шение общей проблемы: механизмы выявления причин отклонения ПКЭ, определение виновной стороны, порядок расчёта ущерба и пр. должны быть установлены нормативными актами.
Если некоторые законодательные основы созданы Правилами, то инженерную (техническую) базу необходимо развивать. Простая констатация фактов несоответствия ПКЭ требованиям ТНПА (что имеет место сегодня) не позволяет решать принципиальные вопросы.

В данной статье будут рассмотрены общие принципы функционирования электросети, негативные процессы, происходящие на линиях электроснабжения и различные методы защиты оконечного оборудования.

Единая энергосистема

Почти все электростанции России объединены в единую федеральную энергосистему, которая является источником электрической энергии для большинства потребителей. Важнейшим и обязательным компонентом любой электростанции является трехфазный турбогенератор переменного тока. Три силовые обмотки генератора индуцируют линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Ротор генератора вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту, а линейные напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе. Фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам. Частота переменного тока на выходе генератора зависит скорости вращения ротора, и в номинале составляет 50 Гц.

Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Именно такое напряжение (фазное 220 В) подается в жилой сектор. Линейное напряжение 380 В используется для питания мощного промышленного оборудования. Генератор выдает напряжение в несколько десятков киловольт. Для передачи электроэнергии, с целью уменьшения потерь, напряжение повышают на трансформаторных подстанциях и подают в Линии Электропередачи (далее ЛЭП). Напряжение в ЛЭП составляет от 35 кВ для линий малой протяженности, до 1200 кВ на линиях протяженностью свыше 1000 км. Напряжение повышают с целью уменьшения потерь, которые напрямую зависят от силы тока. С другой стороны, напряжение ограничивается возможностью изоляции воздуха для ЛЭП и диэлектрика кабеля для кабельных линий. Достигнув крупного потребителя (завод, населенный пункт) электроэнергия опять попадает на трансформаторную подстанцию, где трансформируется в 6–10 кВ, которые уже пригодны для передачи по подземным кабелям. У каждого многоквартирного жилого дома, или административного здания стоит трансформаторная подстанция, которая выдает на выходе предназначенные для потребителя 380 В линейного напряжения и, соответственно, 220 В фазного. В подстанцию типично заводят два или три высоковольтных кабеля, что позволяет оперативно восстановить электроснабжение, в случае повреждений на высоковольтном участке трассы. В зависимости от вида подстанции, это может происходить автоматически, полуавтоматически - по команде диспетчера с центрального пульта, и вручную - приезжает аварийка и электрик переключает рубильник. Подстанция также может выполнять функцию регулятора напряжения, переключая обмотки трансформатора, в зависимости от нагрузки. В России на подстанциях применяют схему с заземленной нейтралью, то есть нейтральный (часто называемый нулевым) провод заземлен. По зданию разводка кабеля происходит пофазно, как с целью распараллеливания нагрузки, так и с целью удешевления оборудования (счетчиков, автоматов защиты). Подстанция в сельской местности и для небольших домов представляет собой обычно трансформаторную будку или просто трансформатор внешнего исполнения. Именно поэтому, на исправление аварии в таком месте отводятся сутки. Автоматической регулировки напряжения такие подстанции не имеют, и выдают номинал обычно в часы минимальных нагрузок, в остальное время занижая напряжение.

Нормы качества для электросетей

Документом, устанавливающим нормы качества электроэнергии в России, является ГОСТ 13109-97 принятый 1 Января 1999г. В частности, в нем установлены следующие "нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения ".

Таким образом, даже при нормальном функционировании электросети использование устройств ИБП для компьютерной техники является обязательным, как для защиты целостности данных, так и для обеспечения исправности оборудования. С точки зрения электроснабжения, все потребители делятся на три категории. Для наиболее массовой категории наших читателей, проживающих в домах с числом квартир более восьми или работающих в офисных зданиях с числом сотрудников более 50 актуальна вторая категория. Это означает максимальное время устранения аварии один час и надежность 0,9999. Третья категория характеризуется временем устранения аварии 24 часа и надежностью 0,9973. Первая категория требует надежности 1 и временем устранения аварии 0.

Виды негативных воздействий в электросети

Все негативные воздействия в электросети делятся на провалы и перенапряжения.

Импульсные провалы обычно вызываются перегрузкой оконечных линий. Включение мощного потребителя, такого как кондиционер, холодильник, сварочный аппарат, вызывает кратковременную (до 1-2 с) просадку питающего напряжения на 10–20%. Короткое замыкание в соседнем офисе или квартире может вызвать импульсный провал, в случае, если вы подключены к одной фазе. Импульсные провалы не компенсируются подстанцией и могут вызывать сбои и перезагрузки компьютерной и другой насыщенной электроникой техники.

Постоянный провал, то есть постоянно или циклично низкое напряжение обычно вызвано перегрузкой линии от подстанции до потребителя, плохим состоянием трансформатора подстанции или соединительных кабелей. Низкое напряжение негативно отражается на работе такого оборудования как кондиционеры, лазерные принтеры и копиры, микроволновые печи.

Полный провал (блекаут), это пропадание напряжения в сети. Пропадание до одного полупериода (10 мс) должно по стандарту выдерживать любое оборудование без нарушения работоспособности. На подстанциях старого образца переключения регулятора напряжения или резерва могут достигать нескольких секунд. Подобный провал выглядит как "свет мигнул". В подобной ситуации все незащищенное компьютерное оборудование "перезагрузится" или "зависнет".

Перенапряжения постоянные - завышенное или циклично завышенное напряжение. Обычно является следствием так называемого "перекоса фаз" - неравномерной нагрузки на разные фазы трансформатора подстанции. В этом случае на нагруженной фазе происходит постоянный провал, а на двух других постоянное перенапряжение. Перенапряжение сильно сокращает срок службы самого разного оборудования, начиная от лампочек накаливания… Вероятность выхода из строя сложного оборудования при включении значительно увеличивается. Самое неприятное постоянное перенапряжение - отгорание нейтрального провода, нуля. В этом случае напряжение на оборудовании может достигать 380 В, и это практически гарантирует выход его из строя.

Временное перенапряжение бывает импульсным и высокочастотным.

Импульсное перенапряжение может происходить при замыкании фазовых жил силового кабеля друг на друга и на нейтраль, при обрыве нейтрали, при пробое высоковольтной части трансформатора подстанции на низковольтную (до 10 кВ), при попадании молнии в кабель, подстанцию или рядом с ними. Наиболее опасны импульсные перенапряжения для электронной аппаратуры.

В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.

Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.

В идеальном случае система электроснабжения должна обеспечивать постоянство величины и частоты напряжения питания, а также синусоидальность его формы.Однако из-за ненулевого импеданса компонентов системы, резких изменений нагрузки и других явлений, например, переходных процессов и аварийных отключений,реальность часто бывает другой. используется для описания того, насколько реальная система энергоснабжения отличается от идеальной:

• если качество электроэнергии в сети высокое, все нагрузки, подключенные к ней, будут работать правильно и с максимальным к.п.д. Стоимость эксплуатации установки и ее влияние на экологию будут минимальными;
• если качество электроэнергии сети низкое, у нагрузок, подключенных к ней, будут наблюдаться отказы в работе, а срок службы этих нагрузок будет уменьшаться. К.п.д. электроустановки будет снижен, стоимость эксплуатации будет высокой, возрастет негативное влияние на окружающую среду, а в определённых случаях работа будет вообще невозможна.

Для определения качества электроэнергии были введены различные показатели, которые предлагаем рассмотреть далее.

Издержки при низком качестве электроэнергии

Низкое качество электроэнергии может быть определено как возможность возникновения любого события, связанного с сетью электропитания, которое приводит кэкономическим потерям. Возможные последствия низкого качества электроэнергии:

• неожиданные отключения энергоснабжения (отключения автоматических выключателей, перегорание предохранителей и т.п.);
• выход из строя или неправильная работа оборудования;
• перегрев оборудования (трансформаторов, двигателей и т.п.), приводящий к сокращению их срока службы;
• повреждение чувствительного оборудования (компьютеры, системы управления технологических линий и т.п.);
• помехи для электронных средств связи;
• увеличение потерь в системе;
• необходимость применения завышенных типономиналов электрических установок для того, чтобы они могли выдерживать дополнительную электрическую нагрузку, с соответствующим увеличением габаритов установки, стоимости эксплуатации и экологических последствий;
• штрафы, накладываемые поставщиками электроэнергии при повышенном негативном влиянии нагрузок на сеть энергоснабжения;
• невозможность подключения новых объектов из-за того, что они будут чрезмерно влиять на систему энергоснабжения;
• негативное влияние на зрение, связанное с флуктуациями яркости или спектра источников света (фликер);
• проблемы со здоровьем и снижение производительности персонала и т.п.

Основной вклад в снижение качества электроэнергии низкого напряжения вносят следующие факторы:

• реактивная мощность, которая бесполезно нагружает систему энергоснабжения;
• загрязнение гармониками, которое приводит к дополнительной нагрузке на сеть и снижает эффективность работы электроустановок;
• неравномерность нагрузки, особенно в офисных зданиях; несбалансированность нагрузок может привести к чрезмерной асимметрии напряжения, которая воздействует на другие нагрузки, подключенные к той же сети, а также к увеличению тока нейтрали и напряжения между нейтралью и землёй;
• быстрые изменения напряжения (фликер).

Все эти явления являются потенциальными причинами неэффективной работы электроустановок, неработоспособности системы, снижения срока службы оборудования и, соответственно, высокой стоимости эксплуатации электроустановок.

Остановка производства из-за низкого качества электроэнергии приводит к экономическим потерям. Это иллюстрируется Таблицей № 1, в которой приводятсятиповые данные об экономических потерях в различных отраслях при авариях (отключениях) из-за низкого качества электроэнергии в электроустановках.

Таблица № 1. Примеры значений экономических потерь из-за аварий по причине низкого качества электроэнергии

Данные, помеченные в Таблице № 1 (*), получены с помощью опроса, касающегося качества электроэнергии, проведённого в Европе Европейским институтом меди в2002 г. Остальные данные являются результатами исследований ABB.

В дополнение к экономическим потерям из-за остановок производства можно определить ещё один фактор издержек при низком качестве электроэнергии, связанный с дополнительными потерями активной мощности, причиной которых является наличие гармонических искажений в компонентах сети, то есть в трансформаторах, кабелях и двигателях. Так как эти потери должны возмещаться электростанциями поставщика электроэнергии, экономические потери и дополнительные выбросы CO 2 могут быть возложены на него. Точные значения этих потерь зависят от конкретных тарифов на электроэнергию и способов генерации электроэнергии. Например, атомные электростанции почти не имеют выбросов CO 2 в отличие от угольных электростанций, для которых выбросы составляют около 900 –1000 г на 1 кВт произведённой мощности.

Один из возможных методов теоретической оценки дополнительных потерь из-за гармоник в трансформаторах приведён в стандарте IEEE C57.110 Результаты расчёта будут зависеть от конкретных местных условий, при этом сумма может составить порядка нескольких тысяч евро в год. Это соответствует эмиссии CO 2 в количестве нескольких тонн за год. Поэтому можно сделать вывод, что в установках с нагрузками, дающими существенные загрязнения гармониками, эксплуатационные расходы могут быть значительными.

В настоящее время основной причиной гармонических искажений являются токи гармоник нагрузок в отдельных электроустановках. Эти токи гармоник, проходящиечерез импеданс сети, в соответствии с законом Ома создают напряжение гармоник, которое будет поступать ко всем нагрузкам, подключенным к электроустановке. В результате пользователь, имеющий нагрузки, создающие гармоники, может иметь проблемы с качеством электроэнергии. Кроме того, неотфильтрованные токи гармоник электроустановки попадают через питающие трансформаторы к поставщику электроэнергии и создают гармонические искажения в общей сети. В результатевсе пользователи этой сети будет испытывать влияние гармонических искажений, созданных другим пользователем сети, которые могут воздействовать на работу их электроустановок.

Для ограничения влияния этой проблемы большинство поставщиков имеют стандарты или правила, относящиеся к качеству электроэнергии, которые должны соблюдаться пользователями сети электропитания. В крайних случаях несоблюдение этих правил приводит к отказу в подключении новой установки. Это может сказаться на производстве и привести к потерям дохода компании.

Терминология параметров качества электроэнергии

Реактивная мощность и коэффициент мощности (cosφ)

В сети переменного тока часто ток имеет сдвиг по фазе относительно напряжения сети. Это приводит к появлению различных типов мощности (см. рис. 1):

Активная мощность Р (кВт), выполняющая полезную работу, соответствует части тока, которая находится в фазе с напряжением;

Реактивная мощность Q (квар), которая поддерживает электромагнитное поле, используемое, например, для работы двигателей, представляет собой энергию обмена между реактивными компонентами электрической системы (конденсаторами и индуктивностями) за единицу времени. Она соответствует части тока, которая имеет сдвиг по фазе с напряжением на 90°;

Полная мощность S (кВА), то есть геометрическая сумма активной и реактивной мощностей, является полной мощностью, потребляемой из сети.

Отношение активной мощности к полной мощности – это коэффициент реактивной мощности или cos φ. Этот параметр является мерой эффективности использования электрической энергии. При cos φ, равном 1, полезная энергия передаётся наиболее эффективно. Если cosφ равен нулю, это свидетельствует о крайне неэффективной передаче полезной энергии.

Гармонические искажения

Гармоническое загрязнение часто характеризуется с помощью коэффициента гармонических искажений (КГИ), который равен отношению действующего значения высших гармоник к действующему значению сигнала основной частоты:

,

где V k – k-й гармонический компонент сигнала V.

Эта величина, выраженная в процентах, имеет смысл, когда значение компонента основной частоты неявно задано или известно. Поэтому КГИ уместен в первую очередь для напряжения, т.к. номинальное значение напряжения известно. Чтобы оценить значение КГИ тока, важно, чтобы было определено значение тока основной частоты.

Небаланс напряжения

В теории симметричных составляющих Фортескью говорится, что любая трёхфазная система может быть представлена как сумма трёх симметричных наборов сбалансированных векторов. Первый набор имеет ту же последовательность фаз, что и исходная система - прямая последовательность. Второй набор имеет обратную последовательность фаз - обратная последовательность. Третий набор состоит из трёх векторов в фазе - нулевая последовательность или униполярные составляющие.

Нормальная трёхфазная сеть имеет три фазы с одинаковой амплитудой со сдвигом фаз на 120°. Любое отклонение (амплитуды или фазы) приводит к возникновению составляющих обратной последовательности и (или) составляющей нулевой последовательности.

Небаланс напряжения обычно определяется как отношение составляющей обратной последовательности к составляющей прямой последовательности и выражается в процентах. Строго говоря, униполярная часть тоже должна учитываться в определении. Однако поскольку обратная последовательность является наиболее существенной с точки зрения отрицательного влияния на работу двигателей с прямым пуском от сети (за счет создания обратного момента), исторически определение небаланса часто ограничивается приведённым в этом разделе.

Фликер

Согласно Международному электротехническому словарю Международной электротехнической комиссии (МЭК), фликер определяется как «восприятие нестабильности визуального ощущения, вызванное освещением, яркость или спектральное распределение которого изменяется во времени». Практически колебания напряжения сети приводят к изменению яркости свечения ламп, что в свою очередь приводит визуальному явлению, называемому фликером (мерцанием). Небольшой уровень мерцаний может быть приемлемым, но если он выше определённого уровня, то начинает раздражать людей, присутствующих в данном помещении. Степень раздражения очень быстро растёт с увеличением амплитуды колебаний. При определённых частотах повторения колебаний напряжения даже малые их амплитуды могут быть заметными.

Анализ влияния фликера на людей сложен, так как он зависит не только от технических аспектов, например, характеристик ламп, на которые подаётся флуктуирующее напряжение, но также от индивидуального восприятия данного явления глазами/мозгом человека. В этой области проводились многочисленные исследования, например, Международным союзом электронагрева (UIE). Результатами проделанной работы стали кривые фликера и технические характеристики фликерметра. Исходные характеристики были представлены в стандарте МЭК 868, который в настоящее время заменён на стандарт МЭК 61000-4-15.

Был определён уровень фликера P 1 . P может оцениваться за 10 мин. (Pst – кратковременная доза фликера) или за 2 ч (Plt – длительная дозафликера). Уровень фликера, равный 1, соответствует величине фликера, которая раздражает 50% испытуемых, и определяется как порог раздражения. Кривые фликера в общем случае показывают амплитуду прямоугольных колебаний напряжения, при которой на определённой частоте колебаний уровень фликера равен 1.Иногда также показывается порог восприятия фликера, который ниже порога раздражения. На рис. 2 приведён пример кривой фликера Pst = 1 для системы 220 В.

Нормативные документы

Правила поставщиков электроэнергии в отношении гармонических искажений обычно основываются на признанных результатах работы, проделанной авторитетным и независимыми органами, которые определили максимально допустимые уровни искажений, при которых оборудование может работать нормально.

Основными принципами правил являются следующее:

· ограничение общего уровня гармонических искажений (КГИ напряжения), создаваемых потребителем. При этом считается, что если общий допустимый уровень гармонических искажений напряжения составляет, например, 5% (от напряжения основной гармоники), это ограничение должно быть разделено между всеми подключенными пользователями. Могут также устанавливаться предельные значения для отдельных гармонических компонентов (например, предельный уровень 3% дляотдельных гармоник напряжения);

· преобразование допустимых пределов ограничения напряжения в пределы тока, который может протекать в системе энергоснабжения. Пределы тока могут бытьлегко проверены путём измерений.

Ограничения, налагаемые поставщиками, всегда применяются в точке присоединения к энергосистеме, которая определяется как точка соединения между поставщиком электроэнергии и электроустановкой пользователя. В большинстве случаев это уровень среднего напряжения. Однако часто консультанты проекта считают, что стандартные ограничения поставщика должны применяться на уровне низкого напряжения, так как их основная задача – иметь допустимый уровень искажений именнов этой точке сети, поскольку в этом случае низковольтные нагрузки будут работать без проблем.

Для ограничения величины реактивной мощности многие поставщики устанавливают минимальные значения cos φ для электроустановки. Если cos φ установки меньше этого значения, будет взиматься штраф. Особой проблемой в этой области является ситуация, когда локально используются генерирующие мощности навозобновляемых источниках энергии (например, солнечные батареи) для выработки активной мощности. Это приводит к уменьшению значения cos φ мощности,потребляемой от энергосистемы (потребление активной мощности уменьшается на величину мощности солнечных батарей, а реактивная мощность не изменяется).Поэтому в некоторых странах компании, инвестирующие в экологически чистую энергию, при таком подходе косвенно штрафуются поставщиками электроэнергии.

Для ограничения проблем, связанных с несимметрией напряжений и токов, поставщики обычно ограничивают максимальный небаланс напряжений сети (к примеру, до2%). В низковольтных конденсаторных установках (например, в центрах обработки данных) нередко встречаются ограничения по напряжению между нейтралью иземлёй (например, не более 2 В), так как это необходимо для правильной работы подключенного оборудования.

Для обеспечения соответствия нормам на гармоники, заданным поставщиками электроэнергии или консультантами, и повышения надёжности и эффективности электроустановки может потребоваться установка оборудования для компенсации. Схема такой установки будет выглядеть следующим образом:

Решение при стабильном уровне потребления реактивной мощности

На практике большинство обычных не производящих гармоники нагрузок, которые имеются в электроустановке (например, асинхронные двигатели, трансформаторы ит. п.), потребляют активную и индуктивную реактивную мощность. Поэтому значение их cos φ находится в пределах от 0 до 1 (индуктивный).

Если cos φ низкий, эффективность передачи энергии снижается. У некоторых современных нагрузок, таких как регулируемые приводы или оборудование компьютерныхдатацентров, cos φ может также стать и емкостным (например, 0,9 емкостной). Это может создать определённые проблемы, к примеру, привести к необходимости снижения мощности систем бесперебойного питания этих нагрузок или невозможности работы этих нагрузок от генератора при определённых условиях.

Если нагрузка является индуктивной и относительно постоянной, обычной практикой является установка конденсаторной установки, коммутируемых с помощью контактора (рис. 4). Реакторы используются только при наличии в сети гармонических искажений.

Контроллер коэффициента мощности сравнивает величину реактивной мощности, имеющейся в сети, с заданным значением (например, заданная величина cos φ = 0,95)и коммутирует ступени конденсаторов для достижения этого значения.

При использовании этой технологии необходимо обращать внимание на следующие аспекты:

• используемый контроллер коэффициента мощности должен правильно работать при наличии гармонических искажений и должен поддерживать работу с регенеративными нагрузками;
• пусковые токи при коммутации конденсаторных ступеней с помощью контакторов могут быть очень большими, это может привести к значительным искажениям напряжения сети. Пример такой ситуации изображён на рис. 6, на котором показан результат подключения конденсатора 50 квар к слабой сети.

На рис. 5 видно, что максимальное значение тока при переходном процессе достигает 4000 A. Подобные значения тока приводят к возникновению переходного процесса напряжения со значительными изменениями его величины. Такой переходной процесс напряжения может сказываться на работе чувствительного оборудования, которое используется, к примеру, в больницах. Поэтому некоторые поставщики электроэнергии не разрешают коммутацию мощных конденсаторных ступеней при помощи контакторов.

При наличии в сети гармонических искажений имеется большая вероятность того, что имеются гармоники на частотах, равных или близких к резонансной частоте конденсаторной установки. Это может привести к усилению гармоник из-за резонанса и создать в системе много технических проблем. В качестве примера рассмотрим гармонические искажения напряжения и перегрузку конденсаторной ступени, когда трансформатор 600 кВА питает нагрузку в виде привода постоянного тока 200 кВт.

Система электропривода постоянного тока заменена нагрузкой в виде двигателя, которая успешно скомпенсирована конденсаторной батареей 125 квар (5 ступенейпо 25 квар). В Таблице № 2 приводятся результирующие значения cos φ, коэффициента гармонических искажений напряжения (КГИU) и перегрузки по току конденсаторной батареи при подключении её ступеней для достижения заданного значения cos φ = 0,92.

Таблица № 2. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар

Из Таблицы № 2 видно, что из-за резонанса на различных частотах при подключении различного числа ступеней гармонические искажения напряжения сети значительно увеличиваются. Это приводит к нарушениям в работе других нагрузок, подключенных к данной сети. Кроме того, в каждом цикле коммутации происходит перегрузка по току конденсатора, значительно превышающая его номинальный ток. Это обычно приводит к преждевременным отказам емкостных элементов.

Проблемы можно избежать, оборудовав конденсаторные батареи антирезонансными дросселями. Дроссель подключается последовательно с конденсатором, при этом частота резонанса цепи конденсатора и дросселя выбирается значительно ниже частоты первого гармонического компонента, имеющегося в сети. Практическое значение коэффициента расстройки р составляет 7% для промышленных сетей и 12,5 или 14% для коммерческих сетей. Соотношение между значением р и резонансной частотой контура определяется выражением (1).

где f 1 – частота сети в Гц, f tuning – резонансная частота LC-контура в Гц, р – коэффициент расстройки LC-контура в абсолютном значении (к примеру, 0,07).

В Таблице № 3 приведены параметры сети и батареи для того же примера, когда имеющаяся конденсаторная батарея была заменена конденсаторной батареей с антирезонансными дросселями с коэффициентом расстройки 7%.

Таблица № 3. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар с антирезонансными дросселями

Из Таблицы № 3 можно сделать вывод, что использование соответствующего антирезонансного дросселя уменьшает нагрузку на конденсатор ступени до допустимых уровней. Также видно, что конденсаторная батарея с соответствующими антирезонансными дросселями может уменьшать гармонические искажения напряжения сети.

Решения при быстро меняющихся уровнях потребления реактивной мощности

Если величина необходимой реактивной мощности быстро меняется или очень велика, конденсаторные батареи, коммутируемые с помощью контакторов, по причинам, описанным выше, применяться не могут. В этом случае обычно используются конденсаторные батареи с тиристорным управлением. В таких приложениях часто:

• эффективность передачи энергии очень мала из-за низкого cos φ установки (к примеру, 0,3–0,5);
• максимальный ток потребления настолько высок, что это приводит к недопустимому падению напряжения, к примеру, при пуске двигателя, и (или) квозникновению фликера.

На рис. 6 показан пример графика потребления реактивной мощности портового крана, которая в большинстве случаев не может быть скомпенсирована обычными конденсаторными батареями с управлением с помощью контакторов.

Существуют различные типы систем управления конденсаторных батарей с тиристорным управлением. В некоторых устройствах контактор просто заменяется тиристором без оптимизации момента включения. В этом случае переходный процесс подобен переходному процессу батареи с управлением при помощи контакторов(см. рис. 4). Это видно из анализа эквивалентной схемы цепи включения.

Характеристику переходного процесса этой схемы можно определить с помощью выражения:

,(2)

где V N – мгновенное значение напряжения сети, V C – мгновенное значение напряжения на конденсаторе, С – значение ёмкости, Ф, L –значение индуктивности, Гн.

Переходный процесс наблюдается, если момент коммутации не соответствует моменту времени, когда V N равно V C . На рис. 9 показан видпереходного процесса при правильном включении ступени батареи с тиристорным управлением.

В отличие от примера рис. 5 здесь нет существенного переходного процесса, если конденсаторная батарея спроектирована должным образом. Такое решение также подходит при наличии чувствительных нагрузок, даже если нагрузки сильно не изменяются.

Кроме обеспечения мягкого подключения реактивной мощности большой величины конденсаторные батареи с тиристорным управлением также применяются для компенсации падения напряжения и устранения фликера.

Следует отметить, что причиной падения напряжения в системе является не только реактивная мощность, но также и активная. Поэтому лучшие конденсаторные батареи с тиристорным управлением имеют функцию компенсации падения напряжения, возникающего из-за обоих компонентов тока. Это особенно важно при слабойсети с низким отношением реактивного сопротивления к активному и при относительно высоком cos φ нагрузки (к примеру, дробилки). В этих условиях изменения напряжения чаще возникают из-за изменения активной мощности. Использование конденсаторной батареи, которая не может компенсировать падение напряжения из-запередачи активной мощности, обычно приводит к неудовлетворительным результатам.

Для компенсации фликера очень важными для получения идеальной характеристики компенсации являются достаточно малое время отклика конденсаторной батареи икак можно меньшая величина ступени. На рис. 10 показана характеристика компенсации падения напряжения для конденсаторной батареи с тиристорным управлением, которая предполагает, что при включении компенсатора падение напряжения полностью сводится к нулю. Однако компенсатор имеет определённое время реакции вначале и конце цикла. Предполагается, что падение напряжения происходит мгновенно из-за резкого изменения нагрузки (например, если нагрузкой является сварочная установка).

В Таблице № 4 приведены значения коэффициента уменьшения фликера, которые могут быть получены с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемпри использовании метода прямоугольной компенсации (рис. 10) с задержкой ΔT = ΔT 1 = ΔT 2 . Эти результаты были получены для нагрузок, которые запускаются и останавливаются мгновенно и которые являются причиной колебаний напряжения из-за потребления мощности на основной частоте. Подразумевается, что основная частота равна 50 Гц. Приведённые значения являются приблизительными и относятся к случаям, когда задержка компенсации является частью цикла нагрузки. Коэффициент уменьшения фликера определяется как отношение значений Pst с компенсатором и без него.

Таблица № 4. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод прямоугольной компенсации)

Из Таблицы № 4 можно сделать вывод, что в данных условиях конденсаторная батарея с тиристорным управлением со временем отклика больше 20 мс будет неуменьшать, а увеличивать уровень фликера. Наилучшие результаты могут быть получены с помощью устройств, которые могут включаться мгновенно при увеличении нагрузки.

Другой стратегией компенсации является метод треугольной компенсации. При этой стратегии компенсатор при появлении нагрузки реагирует немедленно. Вначальный момент уровень компенсации является низким, а после завершения времени переходного режима ΔТ достигается полная компенсация. При резком пропадании нагрузки компенсатор вновь реагирует немедленно и после завершения переходного времени ΔТ компенсация полностью отключается.

Принцип метода треугольной компенсации показан на рис. 11, а полученные результаты представлены в Таблице № 5.

Таблица № 5. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод треугольной компенсации)

При сравнении результатов компенсации фликера с помощью метода треугольной компенсации и обычного метода прямоугольной компенсации преимущества первого очевидны, так как при той же задержке компенсатора может быть достигнут более высокий коэффициент уменьшения фликера. Так как необходима мгновенная реакция компенсатора, понятно, что он не может быть реализован только с помощью оборудования с тиристорной коммутацией. Реализация такого устройства возможна спомощью IGBT-преобразователя.

Из этого раздела можно сделать вывод, что для эффективной работы конденсаторной батареи с тиристорным управлением в широком спектре приложений она должна иметь коммутатор без переходных процессов, быть способна компенсировать падение напряжения из-за потока активной мощности и, в зависимости от приложения, иметь высокое быстродействие.

Решение при наличии гармонических искажений и небалансе нагрузки

Для уменьшения гармонических искажений много лет использовались и предлагаются в настоящее время пассивные фильтры. В низковольтных установках это решение становится всё менее и мене применимым по следующим причинам:

• мощность низковольтных установок растёт, это относительно быстро приводит к перегрузке пассивного фильтра;
• современные нагрузки (например, регулируемые приводы, современные системы освещения) имеют очень хороший cos φ (иногда даже емкостный). При установке пассивного фильтра это может привести к перекомпенсации. Такая ситуация в сочетании с ограниченной способностью типовых резервных генераторов работать приемкостном cos φ может привести к снижению надёжности установки;
• пассивные фильтры в низковольтных электроустановках обычно предназначены для гармоник низких порядков, тогда как в настоящее время имеется тенденция к появлению проблем из-за высокочастотных гармоник. Поэтому пассивный фильтр может не решить технические проблемы, связанные с такими гармониками;
• эффективность фильтрации пассивного фильтра определяется соотношением импедансов пассивного фильтра и сети и поэтому не может быть гарантирована. В связис этим при использовании пассивных фильтров практически невозможно обеспечить соответствие нормативным документам.

По перечисленным выше причинам в приложениях для среднего и низкого напряжения существует общемировая тенденция отхода от применения пассивных фильтров впользу решений, основанных на активной фильтрации.

Наиболее распространенные активные фильтры основаны на применении силовой электроники. Они устанавливаются параллельно фидерам, питающим "загрязнённые" нагрузки (рис. 12).

Активный фильтр состоит из силовой части и системы управления.

В силовой части, как правило, применяется ШИМ-преобразователь на IGBT, подключенный к сети через согласующую схему. IGBT-ключи используются для усиления управляющих сигналов, являющихся компенсирующими сигналами токов и напряжений. Схема связи содержит выходной фильтр нижних частот, который поглощает высокочастотные компоненты, создающиеся при коммутации ШИМ-преобразователя, и пропускает токи компенсации гармоник.

Система управления на основании измерений тока получает информацию о том, какие гармоники имеются в сети. Затем система управления вычисляет величины управляющих сигналов, представляющих собой токи компенсации, которые должны быть введены в сеть. Эти управляющие сигналы подаются на ШИМ-преобразователь, который их усиливает и вводит в сеть.

В более функциональных фильтрах ABB серии PQF контроллер также анализирует требования, задаваемые пользователем, и может генерировать для каждой частоты ток гармоники (ток компенсации), противоположный по фазе измеренному току искажений.

Благодаря своему принципу работы активные фильтры при увеличении нагрузки выше номинальной мощности фильтра не перегружаются, а продолжают работать своей на номинальной мощности. Кроме того, активные устройства можно довольно легко наращивать в отличие от устройств на пассивных фильтрах, при попытках наращивания которых часто встречаются определённые трудности.

Для получения хорошего результата во всей рабочей полосе частот фильтра имеют решающее значение два фактора:

• использование системы управления с обратной связью;
• использование частотного метода при обработке и контроле тока искажений.

Эти факторы, присутствующие в устройствах ABB серии PQF, подробно рассматриваются далее. Активные фильтры с обратной связью и без обратной связи отличаются местом установки измерительных трансформаторов тока (рис. 13).

В системах с обратной связью измеряются ток нагрузки и ток коррекции фильтра, и при этом вносятся поправки. Благодаря обратной связи могут быть исправленыили устранены любые погрешности измерений или другие ошибки.

В системах без обратной связи происходит измерение и обработка результатов измерения тока нагрузки. Затем сигнал задания, находящийся в противофазе к измеренному подаётся на IGBT-мост. Так как обратной связи нет, результирующий ток линии может содержать компоненты ошибки, которые не видны системе управления.

Таким образом, к системе управления с обратной связью могут быть отнесены следующие свойства, отличающие её от системы управления без обратной связи:

• системы управления с обратной связью позволяют избавиться от ошибок в контуре управления и из-за внешних возмущений, а системы управления без обратной связи не имеют такой возможности;
• системы управления с обратной связью могут реагировать так же быстро, как системы без обратной связи, при условии соответствующего выбора параметров контура управления.

Другим аспектом системы управления активным фильтром является выбор между методом анализа во временной области или методом анализа в частотной области.

В методе анализа во временной области из измеренного сигнала тока удаляется компонент основной частоты. Затем получившийся сигнал инвертируется и подаётсяна IGBT-мост активного фильтра. При этом не учитывается то, что характеристики сети, измерительных трансформаторов тока, а также характеристики аппаратнойчасти и программного обеспечения активного фильтра отличаются на разных частотах. В результате на практике активные фильтры, в которых используется этотметод, при увеличении частоты ухудшают свои характеристики.

В методе анализа в частотной области каждая гармоника и её соответствующие характеристики системы рассматриваются отдельно, и работа устройства может быть оптимизирована для гармонических компонентов в рабочей полосе частот фильтра. Поэтому одинаково высокое качество фильтрации может быть достигнуто во всей рабочей полосе частот. На рис. 14 схематически представлен метод фильтрации с анализом в частотной области.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что наилучшую фильтрацию можно получить с помощью активного фильтра со схемой управления, имеющей обратную связь и использующей индивидуальный частотный метод. Такие фильтры имеют также следующие преимущества:

• для каждой гармоники можно задать пользовательские требования (к примеру, соблюдение требований стандарта);
• можно выбирать отдельные гармоники с целью оптимального использования ресурсов фильтра (к примеру, случай, когда не требуется фильтровать 5-ю гармонику,которая уже устранена другим фильтрующим устройством);
• могут поддерживаться точные заданные значения cos φ. Это позволяет использовать такие фильтры в приложениях, где необходим точный контроль cos φ, чтобы избежать нарушений в работе установки (например, отключения генератора);
• может быть реализована точная балансировка нагрузки, это позволит разгрузить нейтраль системы и обеспечить поддержание минимального уровня напряжения между нейтралью и землёй. Также можно обеспечить сбалансированность нагрузки, к примеру, ИБП. На рис. 15 приведён пример балансировки с использованием активного фильтра с обратной связью ABB серии PQF.

В дополнение к перечисленным функциям более продвинутые фильтры позволяют минимизировать потери работающего оборудования и обеспечить увеличение надёжности благодаря дополнительным функциям (например, уменьшение номинальных параметров при повышенной температуре и т.п.).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Устройства, предназначенные для повышения качества электроэнергии, широко применяются для выполнения различных задач. В этом разделе представлены некоторые реальные результаты, достигнутые с помощью высокоэффективных конденсаторных батарей с тиристорным управлением Dynacomp и активных фильтров PQF производстваABB.

В первом примере рассматривается качество электроэнергии на морских буровых установках. Такие энергосистемы часто имеют низкое значение cos φ, большое потребление реактивной мощности и высокое содержание гармоник напряжения и тока. Это, как правило, приводит к снижению производительности буровой установкис возможными остановками работы и связанными с этим экономическими потерями, а также к несоответствию требованиям по сертификации. Типовая схема такой установки показана на рис. 16 (см. также Таблицу № 1).

С учётом характера проблем было решено установить конденсаторную батарею с тиристорным управлением типа Dynacomp производства ABB с антирезонансными реакторами 7%. Основной задачей конденсаторной установки было резкое увеличение cos φ, а также снижение гармонических искажений до допустимого уровня. В Таблице № 6 приведены основные параметры установки с компенсатором и без него.

Таблица 6. Основные параметры установки с компенсатором и без компенсатора

Ток установки с компенсатором и без компенсатора показан на рис. 17.

Анализ Таблицы № 6 и рис. 17 позволяет сделать вывод, что качество электроэнергии в установке благодаря установке компенсатора резко увеличилось, а потребление мощности и тока от энергоустановки сильно сократилось. Гармонические искажения напряжения снизились до допустимого уровня. Результатом этого явилась более эффективная и бесперебойная работа с более высокой производительностью: в нормальных условиях один генератор может быть отключен, при этом может поддерживаться работа без проблем при нагрузке 110% в течение нескольких недель. Аналогичные применения на морских буровых установках иногда включают в себя активные фильтры в случае, если искажения очень сильные и не могут быть устранены только с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемили при наличии особых требований по содержанию гармоник.

Другой проблемой, часто встречающейся на морских платформах, является невозможность включения дополнительных двигателей из-за низкого значения cos φ. Эта ситуация иллюстрируется рис. 18, на котором показана попытка пуска двигателя на морской буровой установке. Из-за ограничения мощности электростанции и низкого cos φ установки пуск двигателя невозможен, при этом возникает потенциально опасный эффект качания, и поэтому двигатель необходимо отключить.

С установленным компенсатором мощность, потребляемая от энергоустановки, резко снижается, и имеющийся запас мощности позволяет успешно запустить двигатель.При этом установка может работать при номинальных параметрах более эффективно, чем до установки компенсатора.

В качестве другого примера повышения качества электроэнергии рассмотрим разработку нефтяного месторождения, где имеется одна центральная энергоустановка, питающая кустовые бурильные и насосные станции. Подавляющим большинством нагрузок были регулируемые приводы переменного тока. Имелось около 40 кустов,каждый с нагрузкой порядка 2 МВт. Без активных фильтров на стороне низкого напряжения куста КГИU = 12%, КГИI = 27% (рис. 19).

После установки активных фильтров КГИU упал до 2%, а КГИI – до 3% (рис. 20). Это привело к значительному улучшению качества электроэнергии кустов ипозволило предприятию добиться соответствия ограничениям стандарта IEEE 519 и обеспечить бесперебойную работу кустов.

В следующем примере рассматривается качество электроэнергии на судне. Судно имеет силовую энергоустановку, содержащую два генератора, вырабатывающих по 600А. Основными нагрузками были два привода постоянного тока двигателей. Без компенсации КГИ тока составлял примерно 25%, а соответствующий КГИ напряжения –около 22%. Значение cosφ установки было около 0,76. Типовой расход топлива корабля находился в пределах 14 000 – 15 000 л/мес.

Требованиями заказчика были снижение гармонических искажений до допустимого уровня, чтобы избежать технических проблем с двигателями корабля, и компенсация реактивной мощности без риска перекомпенсации. Исходя из этого были выбраны и установлены активные фильтры ABB. После установки фильтров все технические проблемы оказались решены, но кроме этого, к удовлетворению заказчика, оказалось, что он смог сэкономить порядка 10% затрат на горючее. В годовом исчислении экономия составила около 18 000 л. Причиной явилось несколько факторов, основным из которых считается то, что один генератор мог отключаться более часто благодаря улучшению качества электроэнергии.

Как показано в предыдущих примерах, проблемы качества электроэнергии из-за наличия больших загрязняющих нагрузок часто возникают в промышленных сетях.Однако и в коммерческих приложениях качество электроэнергии тоже имеет значение. В таких сетях обычно имеется много однофазных загрязняющих нагрузок,которые создают следующие проблемы:

• увеличение гармонической нагрузки на оборудование, которое, как правило, является более уязвимым, чем промышленное оборудование;
• возникновение резонанса с конденсаторными батареями из-за наличия 3-й гармоники при неправильно выбранном антирезонансном дросселе или при егоотсутствии;
• превышение номинального тока проводника нейтрали;
• повышенное напряжение между нейтралью и землёй, величина которого может быть недопустимой для работы оборудования и (или) с точки зрения безопасности;
• наличие емкостного cos φ у современного серверного оборудования. Это потенциально может привести к необходимости снижения номинальных параметров систем бесперебойного питания и т.д.

На рис. 21 показано офисное здание, в котором наблюдались проблемы с качеством электроэнергии. Периодически происходили остановки лифтов, это вызывало недовольство пользователей, администрации объекта и владельца. Кроме того, при работе перегревались кабели питания, а также имелись другие технические неполадки.

ABB были установлены батареи компенсации реактивной мощности в сочетании с активными фильтрами. Это решило все проблемы. Кроме того, применённое решение оценил местный поставщик электроэнергии. Согласно его заключению, повышение качества электроэнергии привело к уменьшению величины выброса газов с тепличным эффектом, эквивалентному выбросам при движении 25 больших грузовых автомобилей.

В последнем примере рассмотрим качество электроэнергии в престижном многозвёздочном отеле. В отеле имеются номера-люкс, обычные номера, залы ибизнес-центры. Типовыми нагрузками являются скоростные лифты, светорегуляторы и другое сложное осветительное оборудование, а также типовое офисное оборудование, включая компьютеры, принтеры и т.п.

Результатом работы с такими нагрузками было ухудшение качества электроэнергии, в частности, стабильности напряжения. При этом изменение параметров нагрузокв одной части здания влияло на работу нагрузок в других помещениях. Такая ситуация была совершенно недопустимой, потому что приводила к снижению качества оказываемых услуг. Были проведена работа по поиску решения, и после установки фильтрующего оборудования ABB проблемы качества электроэнергии исчезли.

Мы рассмотрели с вами аспекты, касающиеся важности хорошего качества электроэнергии, разные оценки экономических потерь при плохом качестве электроэнергиии возможные решения. Мы выяснили, что качество электроэнергии определяется с помощью параметров, которые характеризуют степень загрязнения гармониками, реактивную мощность и небаланс нагрузки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Филиал государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

в г. Сызрани

Кафедра ЭПП

«Причины ухудшения качества электроэнергии»

Выполнил:

студент гр. ЭВБ-481

Кашаева Д.В.

Проверил:

ст.преподаватель

Алексеева И.Ю.

Введение

1. Нормирование качества электроэнергии

2. Причины ухудшения качества электроэнергии

Список используемой литературы

Введение

Одним из подходов к диагностике неисправностей, связанных с качеством электроэнергии, является проверка в точке, которая расположена максимально близко к потребителю, испытывающему проблемы. Данный потребитель обычно является электронным устройством, чувствительным к качеству электроэнергии и испытывающим некоторые неполадки. Возможная причина заключается в низком качестве электроэнергии, однако частью вашей работы является отделить данную причину от других возможных причин (неисправность оборудования, сбой программного обеспечения и т.д.) Подобно детективу, вам необходимо начать работу с осмотра "места преступления". Такой подход, как проверка в восходящем направлении может отнять много времени. Он основан на внимательности и выполнении измерений основных параметров.

Альтернативным методом является движение от ввода в электросистему здания к точке возникновения неисправностей, используя трехфазный контрольный прибор. Подобный подход имеет максимальную эффективность, если причина неисправности находится в сети электроснабжения.

Тем не менее, на основе многочисленных проверок был сделан вывод, что причины подавляющего большинства проблем с качеством электроэнергии находятся на предприятиях (в зданиях). Как правило, наилучшее качество электроэнергии наблюдается на входе в электрическую систему здания (в точке подключения к коммунальным сетям электропитания). По мере движения по распределительной системе качество электроэнергии постепенно снижается. Это связано с проблемами, источником которых являются потребители, расположенные в здании. Другим характерным фактом является то, что 75 % всех проблем с качеством электроэнергии связано с проводкой и заземлением!

По этой причине многие службы, контролирующие качество электроэнергии, считают, что процесс диагностики неисправностей необходимо начинать с электрической системы здания, а затем, при необходимости, использовать контрольные приборы в точке подключения к коммунальным сетям. Ниже приведена процедура диагностики неисправности, основанная на восходящем подходе и призванная помочь вам выполнить данную работу.

1. Нормирование качества электроэнергии

Нормы на показатели качества электроэнергии устанавливаются действующим ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . Он устанавливает показатели и нормы КЭЭ в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения).

Нормы КЭЭ, установленные стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении установленных норм КЭЭ обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей энергоснабжающих организаций и электрических сетей потребителей электрической энергии. По показателям, регламентируемым данным стандартом, электрическая энергия подлежит обязательной сертификации.

Стандартом устанавливаются следующие показатели качества электроэнергии (ПКЭЭ):

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения;

- доза фликера;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

- отклонение частоты;

- длительность провала напряжения;

- импульсное напряжение;

- коэффициент временного перенапряжения.

В настоящей работе целью ставилось улучшение синусоидальности напряжения, поэтому в дальнейшем качество электроэнергии оценивается по двум показателям КЭЭ, характеризующим степень отклонения формы напряжения от синусоиды:

- коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения.

Данные показатели определяются как значения, усредненные за 3 с.

Определение показателей, характеризующих синусоидальность напряжения, производится следующим образом. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения определяют по формуле

, (1.1)

где - значение n-й гармонической составляющей напряжения; - значение первой (основной) гармоники напряжения.

Значения гармоник нормируется до. В ГОСТ 13109-97 определено, что качество электроэнергии по показателю коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов искажения не превышает предельно допустимого значения. Также значение коэффициента искажения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не должно превышать нормально допустимого значения.

В табл. 1.1 даны нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения для сетей различного класса напряжения.

Таблица 1.1 Нормы качества электроэнергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения

Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения находят по выражению

. (1.2)

Нормально допустимые значения коэффициентов n-й гармонической составляющей напряжения приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Нормально допустимые значения коэффициентов n-й гармонической составляющей напряжения

Предельно допустимые значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения принимают в 1,5 раза выше нормально допустимых значений, указанных в табл. 1.2.

В настоящее время не существует легитимного документа, устанавливающего методику расчета допустимого влияния потребителя на КЭЭ и процедуру оценки соблюдения им установленных требований . До 2001 г. в России действовали «Правила присоединения потребителя к сети общего назначения по условиям влияния на качество электроэнергии», а также «Правила применения скидок и надбавок к тарифам за качество электроэнергии» (утверждены Главгосэнергонадзором 14 мая 1991 г.), согласно которым при отступлении от нормативных значений ПКЭЭ по вине потребителя, со стороны электроснабжающей организации могут быть начислены штрафные санкции в размере до 10 % от тарифа за потребленную электрическую энергию на каждый нарушенный показатель.

Применительно к средней тяговой подстанции с переработкой до 30 млн. кВт·ч в год надбавка за нарушение норм только по одному ПКЭ могла составлять в ценах 2001 г. около 1,8 млн. руб. в год. Такие санкции существенно влияют на экономическое состояние систем тягового электроснабжения и оправдывают значительные затраты на улучшение качества электроэнергии в их сетях.

Однако в 2001 г. указанные выше правила были отменены как нормативные акты, противоречащие Гражданскому кодексу РФ. В настоящее время требования к КЭЭ по показателям, характеризующим форму напряжения, устанавливают в виде обязательства энергоснабжающей организации поддерживать значения ПКЭЭ в точке контроля качества электроэнергии в соответствии с нормами ГОСТ 13109-97 при условии непревышения потребителем установленного в технических условиях или в договоре электроснабжения допустимого влияния его электроустановок на значения ПКЭЭ в этой точке. Другими словами, санкции за нарушение КЭЭ по вине потребителя должны быть специально оговорены в договоре электроснабжения. Однако если система надбавок обозначена в договоре, то по данным ОАО «РЖД», ущерб от невыполнения требований ГОСТ 13109-97 только по двум показателям качества электроэнергии может ежегодно составлять порядка 1,2-1,4 млрд. руб. по сети железных дорог России .

Рассмотрим более подробно причины ухудшения синусоидальной формы напряжения в тяговой сети железных дорог переменного тока.

2. Причины ухудшения качества электроэнергии

С точки зрения качества напряжения для нормальной работы электрического оборудования, подключенного к сети переменного тока, оптимальной является идеально синусоидальная форма питающего напряжения. Однако на современных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт- и веберамперные характеристики, которые имеют нелинейный характер (нелинейные нагрузки). Подключение таких потребителей, имеющих в своем составе нелинейные элементы, зачастую приводит к отклонению формы напряжения от синусоиды.

К числу таких потребителей относятся различного рода вентильные преобразователи (главным образом тиристорные), установки дуговой и контактной электросварки, газоразрядные лампы, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, силовые магнитные усилители и трансформаторы. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, а во многих случаях и непериодической, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения, т. е. несинусоидальные режимы.

Стоит отметить, что генераторами высших гармоник тока и напряжения являются только нелинейные безинерционные сопротивления. Инерционные же элементы, т. е. элементы, нелинейность вольтамперных характеристик которых обусловлена медленно протекающими процессами (в основном тепловыми), не вносят искажений в синусоидальность формы напряжения.

Основной причиной искажения синусоидальной формы напряжения в системах электроснабжения переменного тока промышленной частоты 50 Гц является наличие в системе различных типов нелинейных безынерционных сопротивлений, таких как полупроводниковые приборы, катушки с ферромагнитными сердечниками и другие элементы.

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, особую часть нелинейных элементов составляют полупроводниковые приборы: диоды и тиристоры. Эти элементы активно применяются в выпрямительно-инверторных преобразователях электровозов, в которых происходит преобразование в режиме тяги переменного тока контактной сети в выпрямленный ток для питания тяговых двигателей (выпрямление), а также обратное преобразование в режиме рекуперации (инвертирование) электрической энергии тяговых двигателей, работающих в этом случае в режиме генератора.

Основное искажение формы переменного напряжения при питании потребителя пульсирующим током, полученным в процессе выпрямления, существует по причине возникновения естественной коммутации тока тиристоров выпрямителя, которая происходит в начале каждого полупериода переменного напряжения. Причем, чем больше величина нагрузки, мощнее потребитель, тем большая степень этого искажения может быть получена в точке присоединения к сети системы электроснабжения.

Физическая сущность искажения синусоидальности переменного напряжения заключается в возникновении режима короткого замыкания цепи переменного тока (обмоток силового трансформатора электровоза) в интервалы коммутации тока тиристорных плеч выпрямителя, в результате которого на этих интервалах происходит провал в кривой синусоидального напряжения. Эти провалы искажают форму кривой напряжения и приводят к возникновению высших гармонических составляющих в частотном спектре напряжения. Наибольшую амплитуду при работе электровоза имеют нечетные (3-, 5-, 7- и 9-я) гармоники.

Отклонение формы переменного напряжения от синусоиды является одним из основных параметров, характеризующих качество электрической энергии в системе тягового электроснабжения. Важность этого параметра определяется тем, что искажения напряжения в контактной сети оказывают влияние, как на эксплуатационные характеристики электровозов, так и на систему тягового электроснабжения. Так, высшие гармоники напряжения, генерируемые электровозом, приводят к появлению добавочных потерь в обмотках вспомогательных машин электровоза. В силовом трансформаторе гармоники напряжения вызывают увеличение потерь в стали, связанные с гистерезисом, а также увеличение потерь в меди обмоток . Это сокращает срок службы изоляции, а также повышает затраты электроэнергии на тягу поездов.

Влияние несинусоидальности напряжения на индукционные и электронные приборы учета электроэнергии, потребляемой электровозом, приводит к значительному увеличению погрешности результатов измерений этих приборов . Гармоники также могут нарушать работу устройств релейной защиты или ухудшать их характеристики.

Повышенные значения коэффициента в тяговой сети определяется не только применением в силовых цепях электровоза полупроводниковых приборов, которые генерируют гармоники в частотном диапазоне от 150 до 1000 Гц, но и переходными процессами в системе «электровоз - контактная сеть», в результате которых возникают высокочастотные колебания напряжения на токоприемнике электровоза с частотами 750-1950 Гц.

Колебания напряжения на токоприемнике вызваны процессами перехода выпрямителя электровоза из режима проводимости в режим коммутации в момент подачи управляющих импульсов на тиристоры (коммутационные колебания) и обратным переходом после окончания коммутационного процесса (послекоммутационные колебания). При этом их амплитуда при положении электровоза ближе к середине фидерной зоны может быть значительной. Частота этих колебаний напряжения определяется соотношением индуктивности цепи переменного тока электровоза и емкости контактной сети относительно земли.

Свободные коммутационные и послекоммутационные колебания напряжения, формирующиеся на токоприемнике, трансформируются на сторону вторичного напряжения электровоза, где создают перенапряжения на тиристорных плечах преобразователя. Так как колебания напряжения повторяются каждый полупериод питающего напряжения, то эта периодичность ограничивает вентильную прочность тиристоров выпрямителя и вследствие этого способствует быстрому выходу их из строя. Кроме того, эти колебания появляются в кривой выпрямленного напряжения, воздействуя на электромагнитные процессы, протекающие в цепи выпрямленного тока. электрический токоприемник напряжение

Коммутационные и послекоммутационные колебания способствуют появлению в частотном спектре напряжения контактной сети гармоник, соответствующих частотам этих колебаний. Иными словами, колебания напряжения, обусловленные началом и окончанием процесса коммутации тока тиристоров электровоза, снижают качество электроэнергии в контактной сети.

Круг вопросов, посвященных проблеме высших гармоник в электрических сетях, состоит в следующем:

- оценке электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок, т. е. влиянии гармоник на электроустановки;

- оценке возникающего при этом экономического ущерба;

- количественной оценке высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками;

- прогнозировании значений высших гармоник тока и напряжения, а также снижении уровня гармонических составляющих.

Вывод

Электрическая энергия как товар используется практически во всех процессах, связанных с деятельностью человека. Обладая специфическими свойствами, электроэнергия непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электрической энергии (КЭЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭЭ.

Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Качество электроэнергии часто характеризуют также термином «электромагнитная совместимость». Под электромагнитной совместимостью понимают способность электроприемников нормально функционировать в его электромагнитной среде, т. е. в электрической сети, к которой он присоединен, не создавая недопустимых электромагнитных помех для других приемников, работающих в той же среде.

Проблема электромагнитной совместимости промышленных потребителей с питающей сетью возникла в связи с широким использованием устройств, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на КЭЭ. Бытовые потребители, как и промышленные, также должны иметь электромагнитную совместимость с другими потребителями, включенными в общую электросеть, не снижать эффективность их работы и не ухудшать показатели КЭЭ.

КЭЭ в промышленности оценивается по технико-экономическим показателям, которые учитывают ущерб, возникающий вследствие порчи материалов и оборудования, расстройства технологического процесса, ухудшения качества выпускаемой продукции, снижения производительности труда - так называемый технологический ущерб. Кроме того, существует и электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, который характеризуется увеличением потерь электроэнергии, выходом из строя электротехнического оборудования, нарушением работы автоматики, телемеханики, связи, электронной техники и т. д.

Качество электроэнергии связано с надежностью электроснабжения, поскольку нормальным режимом электроснабжения потребителей является такой режим, при котором потребители получают электроэнергию бесперебойно, в количестве, заранее согласованном с энергоснабжающей организацией, и нормированного качества.

Список используемой литературы

1. ПРАВИЛА УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (ПУЭ) (Седьмое издание, переработанное и дополненное, с изменениями) 2015г.

2. Ресурсы специализированного электроэнергетического Интернет сайта forca.ru

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Показатели качества электроэнергии. Причины, вызывающие отклонения параметров сети от номинальных значений. Отклонение напряжения и его колебания. Отклонение фактической частоты переменного напряжения. Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока.

контрольная работа , добавлен 13.07.2013


Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы. Влияние отклонения напряжения на потребителей. Быстрые флуктуации. Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.

презентация , добавлен 12.11.2013


Уровни несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на птицефабрике "Акашевская". Анализ динамики показателей качества электрической энергии для различных периодов времени. Взаимное влияние качества электроэнергии и электрооборудования.

дипломная работа , добавлен 28.06.2011


Разработка методики и внедрение модели единой автоматизированной системы контроля качества электроэнергии (АСККЭ) в регионе на напряжение от 0,4 кВ до 220 кВ с одновременным и непрерывным контролем и управлением показателей качества электроэнергии (ПКЭ).

Исследование особенностей применения трансформаторов тока и напряжения. Изучение схемы подключения приборов и реле к вторичным обмоткам. Измерение показателей качества электроэнергии. Расчетные счетчики активной и реактивной энергии трехфазного тока.

презентация , добавлен 23.11.2014


Влияние отклонения показателей качества электрической энергии от установленных норм. Параметры качества электрической энергии. Анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения городов-миллионников. Разработка мероприятий по ее повышению.

дипломная работа , добавлен 21.01.2017


Оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования на примере предприятия агропромышленного комплекса. Динамика показателей качества электрической энергии. Расчет потерь электроэнергии и высших гармоник.

дипломная работа , добавлен 26.06.2011


Длительность провала напряжения. Роль провалов напряжения для улучшения качественных характеристик сети. Оценка коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности. Повышение коэффициента мощности электрической тяги переменного тока.

контрольная работа , добавлен 18.05.2012


Электрические сети переменного и постоянного тока. Синусоидальный ток и напряжение. Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии. Коэффициент искажения напряжения. Снижение несинусоидальности напряжений и токов.

курсовая работа , добавлен 29.03.2016


Повышение качества электрической энергии за счет снижения несимметрии на тяговых подстанциях переменного тока системы тягового электроснабжения с помощью трансформаторных приставок. Закон изменения коэффициента напряжений по обратной последовательности.

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузок, появление новых электротехнических установок сделали искаженные режимы характерной и неотъемлемой чертой работы современной системы электроснабжения. При этом нарушение ГОСТ 13109-97 возможно как со стороны энергоснабжающей организации (установившееся отклонение напряжения δU у; отклонение частотыΔf;длительность провала напряжения Δf п; импульсное напряжениеU имп; коэффициент временного перенапряженияK пер U так и по вине потребителей.

Причиной, вызывающей несинусоидальность, несимметрию, колебания и отклонения напряжения, является тот или иной вид электроприемника, определяемого технологическим процессом (производством). Отклонения напряжения вызывает изменение нагрузки любого производства. Предприятия с мощными сварочными устройствами порождают также колебания, несимметрию напряжения; дуговые сталеплавильные печи - еще и несинусоидальность; при электролизе в цветной металлургии имеют место колебания, несинусоидальность; при однофазной нагрузке - несимметрия; при работе тяговых подстанций - несинусоидальность и несимметрия напряжений.

Помимо искажений в установившихся режимах работы существуют про­мышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в пусковых режимах или при регулировании. Высшие гармоники порождают при пуске и торможении электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью, преобразователи при рекуперативном торможении. Трансформаторы при включении и отключении вызывают кратковременные перенапряжения.

Источниками колебаний напряжения в современных электрических системах служат мощные электроприемники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощностей. Для них характерны: питание от шин напряжением 35-220 кВ; значительные изменения потребляемой активной Р и реактивной Q мощности, равной (10-130) % Р, с высокой скоростью в течение суток; наличие у токоприемников нелинейных элементов.

К таким электроприемникам относятся в приоритетном порядке по степени воздействия на этот ПКЭ: дуговые сталеплавильные печи; руднотермические печи; электродвигатели большой мощности (в частности, прокатных станов); индукционные печи; машины контактной сварки; преобразователи электролизных установок; синхронные двигатели; приводы насосов и компрессоров в распределительных сетях.

Источниками гармонических искажений служат в основном нагрузки с нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; вентильные преобразователи; трансформаторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками; преобразователи частоты; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы.

Существенное влияние на работу электрооборудования, в первую очередь на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений. При коэффициенте обратной последовательности напряжений, равном 4%, срок службы электродвигателей сокращается примерно в два раза.