Качество электрической энергии

Под термином "качество электрической энергии" понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии.

 Количественная характеристика  качества электроэнергии выражается  отклонениями напряжения и частоты,  размахом колебаний напряжений  и частоты, коэффициентом несинусоидальности формы кривой напряжения, коэффициентом несимметрии напряжения основной частоты.

Отклонение частоты - разность усредненная за 10 мин. между фактическим значением основной частоты и номинальным её значением. Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы допускается в пределах ±0,1 Гц . Кратковременные отклонения могут достигать ±0,2 Гц .

Колебание частоты - разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения частоты  не меньше 0,2 Гц в секунду. Колебания  частоты не должны превышать 0,2 Гц сверх  допустимых отклонений 0,1 Гц.

Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определённой электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные кондуктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств.

Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что  позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ).

 

Показатели качества электроэнергии

Показатели качества электрической  энергии, методы их оценки и нормы  определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97.

	Наименование ПКЭ	Наиболее вероятная причина
Отклонение напряжения
δUy	установившееся отклонение напряжения	график нагрузки потребителя
Колебания напряжения
δUt	размах изменения напряжения	потребитель с резкопеременной нагрузкой
Pt	доза фликера
Несимметрия напряжений в трёхфазной системе
K2U	коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности	потребитель с несимметричной нагрузкой
K0U	коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности
Несинусоидальность формы кривой напряжения
KU	коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения	потребитель с нелинейной нагрузкой
KU(n)	коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
Прочие
Δf	отклонение частоты	особенности работы сети, климатические условия или природные  явления
ΔtП	длительность провала  напряжения
Uимп	импульсное напряжение
KперU	коэффициент временного перенапряжения

 

 

Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприёмников и электрической сети. Семь ПКЭ в основном обусловлены потерями (падением) напряжения на участке электрической сети, от которой питаются потребители.

Потери напряжения на участке  электрической сети (k) определяются выражением:

ΔUk = (Pk·Rk + Qk·Xk) / Uном

Здесь активное (R) и реактивное (X) сопротивление k-го участка сети, практически постоянны, а активная (P) и реактивная (Q) мощность, протекающая по k-му участку сети, переменны и характер этих изменений может быть различным:

-При медленном изменении  нагрузки в соответствии с  её графиком — отклонение напряжения;

-При резкопеременном характере нагрузки — колебания напряжения;

-При несимметричном распределении  нагрузки по фазам электрической  сети — несимметрия напряжений в трёхфазной системе;

-При нелинейной нагрузке  — несинусоидальность формы кривой напряжения.

В отношении этих явлений  потребители электрической энергии  имеют возможность тем или иным образом влиять на её качество. Всё прочее, ухудшающее качество электрической энергии, зависит от особенностей работы сети, климатических условий или природных явлений. Поэтому, возможности влиять на это потребитель электрической энергии не имеет, он может только защищать своё оборудование специальными средствами, например, устройствами быстродействующих защит или устройствами гарантированного (бесперебойного) питания (UPS).

 

Отклонение напряжения

Отклонение напряжения — отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения.

Отклонение напряжения в  той или иной точке сети происходит под воздействием медленного изменения нагрузки в соответствии с её графиком.

Влияние отклонения напряжения на работу электрооборудования:

-Технологические  установки:

ü При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.

ü При повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.

ü При значительных отклонениях напряжения происходит срыв

технологического  процесса.

-Освещение:

ü Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1·Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.

ü При величине напряжения 0,9·Uном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.

ü При величине напряжения менее 0,9·Uном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8·Uном просто не загораются.

-Электропривод:

ü При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.

ü При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9·Uном срок службы двигателя снижается вдвое.

ü При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3...7 %. Снижается эффективность работы привода и сети.

Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет:

— 10 % специфической нагрузки (например, в Москве это метро — 11%);

— 30 % освещение и прочее;

— 60 % асинхронные электродвигатели.

Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно δUyнор= ± 5 % и δUyпред= ± 10 % номинального напряжения сети. Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.

ΔU = (P·R + Q·X) / UЦП (ТП)

 

 

Снижение потерь напряжения (ΔU) достигается:

-Выбором сечения  проводников линий электропередач (≡ R) по условиям потерь напряжения.

-Применением продольной  емкостной компенсации реактивного  сопротивления линии (X). Однако, это опасно повышением токов короткого замыкания при X→0.

-Компенсацией  реактивной мощности (Q) для снижения ее передачи по электросетям, с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения. Кроме снижения потерь напряжения, это является неплохим мероприятием энергосбережения, снижающим общие потери электроэнергии в сетях.

 

Регулированием  напряжения U:

В центре питания регулирование  напряжения (UЦП) осуществляется с помощью трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки (регулирование под нагрузкой — РПН). Такими устройствами оснащены 10 % трансформаторов. Диапазон регулирования ± 16 % с дискретностью 1,78 %. Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях (UТП) с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации (переключение без возбуждения — ПБВ, т.е. с отключением от сети). Диапазон регулирования ± 5 % с дискретностью 2,5 %. Ответственность за поддержание напряжения в пределах, установленных ГОСТ 13109-97, возлагается на энергоснабжающую организацию. Действительно, первый (R) и второй (X) способы выбираются при проектировании сети и не могут изменяться в дальнейшем. Третий (Q) и пятый (UТП) способы хороши для регулирования при сезонном изменении нагрузки сети, но руководить режимами работы компенсирующего оборудования потребителей, необходимо централизовано, в зависимости от режима работы всей сети, то есть энергоснабжающей организации.

Четвёртый способ — регулирование  напряжения в центре питания (UЦП), позволяет энергоснабжающей организации регулировать напряжение в соответствии с графиком нагрузки сети.

ГОСТ 13109-97 устанавливает допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмника. А пределы изменения напряжения в точке присоединения потребителя должны рассчитываться с учетом падения напряжения от этой точки до электроприёмника и указываться в договоре энергоснабжения.

 

Колебания напряжения

Колебания напряжения —  быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд. Колебания напряжения происходят под воздействием быстро изменяющейся нагрузки сети.

 Источниками колебаний напряжения являются мощные электроприёмники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности: дуговые и индукционные печи; электросварочные машины; электродвигатели при пуске.

 

Влияние колебаний  напряжения на работу электрооборудования:

Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования. Вызывают брак продукции. Способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования. Так, например, колебания амплитуды и, в большей мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателя, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы. А при размахах колебаний более 15 % могут отключаться магнитные пускатели и реле. Не менее опасна вызываемая колебаниями напряжения пульсация светового потока ламп освещения. Её восприятие человеком — фликер — утомляет, снижает производительность труда и, в конечном счёте, влияет на здоровье людей. Доза фликера — мера восприятия человеком пульсаций светового потока. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения δUt = 29 %. Причём, при одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп. Поэтому в ГОСТ 13109-97, размах изменения напряжения (δUt) жёстче нормируется для помещений с лампами накаливания повышенной освещённости, а доза фликера (Pt) для помещений с лампами накаливания, работа в которых требует значительного зрительного напряжения. В качестве вероятного виновника колебаний напряжения ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с переменной нагрузкой.

 

Мероприятия по снижению колебаний напряжения:

-Применение оборудования  с улучшенными характеристиками (снижение ΔQ). Применение электродвигателей  со сниженным пусковым током  и улучшенным cos φ при пуске. Или применение частотного регулирования электроприводов, а также устройств плавного пуска-останова двигателя.

-Подключение к мощной  системе электроснабжения (увеличение  Sкз)

Распространение колебаний  напряжения в сторону системы  электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Причём, коэффициент  затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.

-Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок на разные трансформаторы или секции сборных шин. Размах изменения напряжения δUt на шинах спокойной нагрузки (- Q) снижается на 50...60 %. "Минусы" — возрастают потери при неполной загрузке трансформаторов.

-Снижение сопротивления  питающего участка сети. При увеличении  сечения проводников линии снижается R, а применение устройств продольной компенсации снижает суммарное X. "Минусы" — увеличиваются капитальные затраты, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания при X→0. На практике не обоснованно, но активно применяют последние два мероприятия.

 

Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений. Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые. Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85...90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

 

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

-Рост потерь  электроэнергии в сетях, вызванный дополнительными потерями в нулевом проводе. Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения. В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.