Качество тока

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Показатели качества электроэнергии………………………………………4

1.1 Отклонение напряжения…………………………………………………...6

1.2 Колебания напряжения…………………………………………………….8

1.2.1 Влияние колебаний  напряжения на работу электрооборудования……………………………………………………….......8

1.2.2 Мероприятия по снижению  колебаний напряжения……………………9

1.3.1 Влияние несимметрии  напряжений на работу электрооборудования…………………………………………………………..11

1.3.2 Мероприятия по снижению  несимметрии напряжений……………….12

1.4.1 Влияние несинусоидальности  напряжения на работу электрооборудования…………………………………………………………..13

1.4.2 Мероприятия по снижению  несинусоидальности напряжения……….14

1.5 Отклонение частоты………………………………………………………..15

1.6 Временное перенапряжение………………………………………………..15

1.7 Импульсное перенапряжение……………………………………................16

2. Автоматизированное управление  качеством электроэнергии…………….16

Литература……………………………………………………………………....26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА  ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.

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 индуктивно 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 и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ).

С эволюционным изменением техники изменяются и требования к электромагнитной обстановке, естественно в сторону ужесточения. Так наш стандарт на качество электроэнергии, ГОСТ 13109 от 1967 года, с развитием полупроводниковой техники был пересмотрен в 1987 году, а с развитием микропроцессорной техники пересмотрен в 1997 году.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1 – Нормирование показателей качества электроэнергии

	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 соседние 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, протекающие по k-му участкусети — переменны, и характер этих изменений влияет на формирование электромагнитных помех:

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 питания (UPS).

1.1 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 изменения нагрузки в соответствии с её графиком.

Влияние отклонения напряжения на работу электрооборудования:

Технологические установки:

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

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

При значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса.

Освещение:

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

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

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

Электропривод:

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

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.При повышении напряжения на 1 % потребляемая двигателем реактивная мощность увеличивается 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, компенсация реактивной мощности является эффективным мероприятием энергосбережения, обеспечивающим снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.

Регулирование 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 перативно 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.

1.2 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.

1.2.1 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. Мера восприятия человеком пульсаций светового потока — доза фликера. 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 и повышенной освещённостью, 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.

 

 

 

1.2.2 Мероприятия  по снижению колебаний напряжения:

 

               Рисунок 1.1 – Различные виды нагрузки

Применение оборудования с улучшенными характеристиками (≡ ↓ ΔQ).

Применение электродвигателей со сниженным пусковым током и улучшенным cos φ  при пуске. Применение частотного регулирования электроприводов, или устройств плавного пуска-останова двигателя.

Подключение к мощной системе электроснабжения (≡ ↑ Sкз)

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

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.

1.3.1 Влияние несимметрии  напряжений на работу электрооборудования:

В электрических сетях возрастают потери электроэнергии от дополнительных потерь 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.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы.

Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = 2...4 %, срок службы электрической машины снижается на 10...15 %, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, — нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

 

1.3.2 Мероприятия  по снижению несимметрии напряжений:

Рисунок 1.3 – Трехфазная электрическая сеть

Равномерное распределение нагрузки по фазам.

Это наиболее эффективное мероприятие, но оно требует творческого подхода при проектировании электроустановок и решительности при эксплуатации.

Применение симметрирующих устройств.

Сопротивления в фазах симметрирующего устройства (СУ) подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.

Применение симметрирующих устройств сопровождается дополнительными капитальными затратами на их приобретение и монтаж, затратами на обслуживание и эксплуатацию.

1.4.1 Влияние несинусоидальности  напряжения на работу электрооборудования:

Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, — учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.

В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери.

Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения — частоту первой гармоники (f n=1 = 50 Гц,   f n=2 = 100 Гц,   f n=3 = 150 Гц ...).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.

1.4.2 Мероприятия  по снижению несинусоидальности  напряжения:

Аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения:

Применение оборудования с улучшенными характеристиками:

„ненасыщающиеся“ трансформаторы;

преобразователи с высокой пульсностью и т.д.

Подключение к мощной системе электроснабжения.

Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

Снижение сопротивления питающего участка сети.

Применение фильтрокомпенсирующих устройств.

Рисунок 1.5 – Изображение системы электроснабжения с фильтрокомпенсирующими устройствами

L-С цепочка, включенная  в сеть, образует колебательный  контур, реактивное сопротивление  которого для токов определённой  частоты равно нулю. Подбором  величин L и С фильтр настраивается  на частоту гармоники тока  и замыкает её не пропуская  в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генерируемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

1.5 Отклонение частоты

Отклонение фактической частоты переменного напряжения (fф) от номинального значения (fном) в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Для устранения этих явлений, необходимо ремонтировать или модернизировать существующие и строить новые электростанции. А пока их нет, активно применяется радикальная мера — автоматическая частотная разгрузка (АЧР), то есть отключение части потребителей при снижении частоты (гильотина, — как средство от головной боли). Это ещё называют веерными отключениями.

Для потребителя важно знать, в какую очередь отключат его оборудование от сети при таком развитии событий (указывается при заключении договора электроснабжения), аргументированно требовать изменения очерёдности или иметь собственные резервные генерирующие мощности.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения, — ситуация аварийная и действие ГОСТ 13109-97 на неё не распространяется, а в установившемся режиме работы сети такое событие весьма редкое.

Следующие явления возникают в любой сети и зачастую являются случайными событиями. ГОСТ 13109-97 не нормирует эти явления, но их статистика по конкретной сети может помочь потребителю принимать решения по обеспечению бесперебойности электроснабжения собственного оборудования тем или иным способом.

1.6 Временное перенапряжение 

Внезапное и значительное повышение напряжения (более 110 % Uном) длительностью более 10 миллисекунд.

Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и при коротких замыканиях на землю (длительные).

Коммутационные перенапряжения возникают при разгрузке протяжённых линий электропередач высокого напряжения.

Длительные перенапряжения возникают в сетях с компенсированной нейтралью и четырёхпроводных сетях при обрыве нейтрального провода, а в сетях с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю (в сетях 6-10-35 кВ в таком режиме допускается длительная работа).

В этих случаях, напряжение неповреждённых фаз относительно земли (фазное напряжение) может вырасти до величины междуфазного (линейного) напряжения.

1.7 Импульсное  перенапряжение

Резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд.

Рисунок 1.6 – Графическое изображение импульсного перенапряжения

Импульсные перенапряжения возникают при грозовых явлениях и при коммутациях оборудования (трансформаторы, двигатели, конденсаторы, кабели), в том числе при отключении токов КЗ.

Величина импульса перенапряжения зависит от многих условий, но всегда значительна и может достигать многих сотен тысяч вольт.

ГОСТ 13109-97 приводит справочные значения импульсного перенапряжения при коммутациях для разных типов сетей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ  УПРАВЛЕНИЕ  КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Изменение отношения к проблемам КЭ как со стороны энергоснабжающих организаций, так и стороны электропотребителей приводит в настоящее время к ужесточению требований к КЭ, а следовательно, к его контролю на соответствие нормам ГОСТ 13109-97. Контроль КЭ обеспечивается современными средствами измерении  и является основой составляющей автоматизации управления КЭ.

Автоматизированное управление КЭ как совокупность методических и технических требований должно предусматривать решение с помощью средств измерения таких задач, как выбор точек контроля КЭ, выполнение расчетов показателей КЭ (ПКЭ), расчет допустимых вкладов потребителей, измерение фактических вкладов потребителей и потоков искажения и регистрация их виновников, метрологическое обеспечение контроля КЭ, установленного договорами электроснабжения и техническими условиями на присоединение, и сертификация электроэнергии.

Управление КЭ должно рассматриваться как общесистемная задача, решаемая в рамках единой методологии, поддерживаемой нормативно- правовой базой и техническими средствами. С этих позиций наиболее актуальной следует считать разработку моделей для оценки КЭ в системе, инструментальных методов управления виновника ухудшения КЭ с целью определения его влияния на КЭ, инструментального метода расчета за электроэнергию с учетом ее качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

Гост 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. Изд-во стандартов. 1998.

Карташев И.И., Пономоренко И.С., Ярославский В.Н., Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии // Электричество.2000.№4.С.11-17.

Анализ результатов проведенных измерений при контроле КЭ в электрических сетях 0.4-10 кВ / И.И. Карташев, И.С. Понаморенко, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов //Сборник докладов Первой научно-практической конференции «Метрология электрических измерений в электроэнергетике».

 М.: АО «ВНИИЭ», 2001.С,227-234.

4. Сатати С.С. Разработка  методики расчетной оценки качества   электроэнергии в ЭЭС (на примере  Кении). Дисс…канд. техн. наук. МЭИ. М., 2000.

5. Способ инструментального  выявления источников искажения  напряжения и определения их  влияния на качество электроэнергии. / И.И. Карташев, И.С. Понаморенкр, С.Ю. Сыромятников, Л.Л.Гук // Электричество.2001.№3.С.2-7.