Особенности отклонения частоты и напряжения

Введение

Нарастающие темпы добычи, транспортировки и первичной переработки природных ресурсов (нефть, газ, полиметаллы, алмазы и т.д.) в районах Сибири и Дальнего Востока России обусловливают интенсивную их электрификацию. Замкнутые электрические сети (далее сети) от 6 до 35 кВ этих объектов в наибольшей мере, по сравнению с питающими от удалённых электроэнергетических систем (ЭЭС) сетями 110 кВ и выше, связаны с особенностями технологических процессов и характером воздействия окружающей среды. В этих сетях должны обеспечиваться уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств для кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97. Это необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества, по охране окружающей среды; для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции.
Конструктивным научным направлением решения проблем ЭМС технических средств в региональных ЭЭС, развитым В.П.Гореловым, Е.В.Ивановой, Н.Н.Лизалеком, В.З.Манусовым, В.Г.Сальниковым и др., является подавление кондуктивных ЭМП, распространяющихся по сетям. Однако, проблема ЭМС, обусловленная взаимодействием электромагнитных процессов производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии различными приёмниками, достаточно многогранна и постоянно развивается, поэтому решены не все научные задачи, связанные с особенностями электрических сетей и режимами работы искажающих нагрузок. В частности, нет рекомендаций по определению рациональных мест размыкания замкнутых сетей от 6 до 35 кВ при кондуктивных ЭМП и подавлению помех. Решение подобных задач обеспечивает получение новых знаний в области ЭМС технических средств и повышение эффективности электроснабжения удалённых от региональных ЭЭС объектов.

1 Кондуктивная электромагнитная помеха. ОпределениеКондуктивные помехи в цепях с более чем одним проводником, в свою очередь, разделяются на:
 помехи «провод–земля». Называются также несимметричными, синфазными, общего вида. Напряжение помехи при этом, как видно из названия, приложено между каждым из проводников цепи и землей.
 Обусловлены такие помехи разностью потенциалов в цепях заземления устройств. Могут возникнуть от токов в земле (аварийные либо токи молнии) либо магнитных полей. При синфазных помехах не возникают мешающие напряжения на приемнике, однако они оказывают воздействие на изоляцию проводов относительно земли, а следовательно, могут привести к пробою изоляции;
 помехи «провод–провод». Такие помехи называются еще симметричными, противофазными, дифференциального вида. В данном случае напряжение помехи приложено между различными проводниками одной цепи.
 Возникновение таких помех происходит через гальванические связи, путем передачи электромагнитным полем, либо из-за преобразования помехи «провод–земля» в помеху «провод–провод».
 Если говорить о том, какие же из вышеназванных кондуктивных помех наиболее опасные, то обычно это помехи «провод–провод», из-за того, что приложены они оказываются так же, как и полезный сигнал.
 Реальные кондуктивные помехи обычно представлены комбинацией помех «провод–земля» и «провод–провод». Кроме того, из-за несимметричности внешних цепей передачи сигналов и входных цепей аппаратуры возможно преобразование одного вида кондуктивных помех в другой.
Кондуктивные помехи возникают:
- из-за наличия гальванических связей;
- путем передачи электромагнитным полем;
- преобразование помехи типа «провод-земля» в помеху «провод-провод».
Причинами возникновения кондуктивных помех обычно являются:
- напряжение питания с частотой 50 Гц;
- сигналы в проводах управления или линиях передачи данных;
- коммутационные процессы в индуктивностях;
- радиочастотное электромагнитное поле [2] земля;
- искровые разряды в процессе замыкания и размыкания контактов.

2 Особенности отклонения частоты и напряжения В [7] приведены сведения о причинах сильных кондуктивных помех в сетях 100 опрошенных потребителей: провалы напряжения и кратковременные перерывы питания - 32 %, длительные перерывы питания - 24 %, отклонения напряжения - 21 %, искажения формы кривой напряжения - 20 %, колебания напряжения - 5 %, несимметрия напряжения - 1 %. Анализ экономических характеристик электроприемников и узлов нагрузки [7-12] также показывает, что наибольшие ущербы наблюдаются при первых четырех причинах помех. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения им следует уделять большое внимание.
 Исследования [3, 7 - 14] на промышленных предприятиях свидетельствуют о том, что имеющиеся электроприемники и системы управления по-разному реагируют на ЭМП, т.е. они имеют различную помехоустойчивость. С целью снижения ущербов необходимо все электроприемники и системы управления классифицировать по степени их помехоустойчивости и при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения осуществлять их подключение согласно классу ЭМО в соответствующих точках. Данный подход, существующий в странах Евросоюза, предусмотрен в стандарте МЭК 61000-2-4 - 1994. Аналогичный стандарт (ГОСТ Р 51317.2.4 - 2000 [2]) введен в 2000 г. в России. В этих стандартах установлено три класса ЭМО:
первый - в защищенных от ЭМП системах электроснабжения. Этот класс применяется для электроприемников и технических систем (ТС), наиболее восприимчивых к кондуктивным ЭПМ в питающей сети (контрольно-измерительное лабораторное оборудование, средства управления технологическими процессами и защиты, вычислительные средства и т. д.). Для создания ЭМО данного класса следует использовать системы бесперебойного питания, активные, пассивные фильтры и другие средства подавления помех [3,7-18];
 
                                                                                                                                                         Таблица 1
 
Причина помехи Уровень ЭМС для ЭМО класса
1 2 3
Колебания напряжения δUt, % ±8 ± 10 От 10 до - 15
Провалы напряжения:
глубина δUп, %
длительность полупериодов Δtп  
От 10 до 100
1  
От 10 до 100
От 1 до 300  
От 10 до 100
От 1 до 300
Несимметрия напряжений
по обратной последовательности К2U, % 2 2 3
Установившееся отклонение напряжения δUy, % ±5 ± 10 ± 10
Отклонение частоты Δf, % ± 1 ± 1 ±2
Искажение синусоидальности кривой напряжения Кu, % 5 8 10
 
   второй - в точках общего присоединения и точках внутрипроизводственного присоединения в промышленных условиях эксплуатации электроприемников и ТС. Уровни ЭМС для ЭМО данного класса идентичны уровням систем электроснабжения общего назначения в соответствии с ГОСТ 13109 - 97 [6);
третий - в точках внутрипроизводственного присоединения при наличии следующих условий:
большая часть электроприемников питается через преобразователи тока или частоты;
используется электросварочное оборудование;
происходят частые пуски электроприемников большой мощности;
резко изменяются электрические нагрузки.
Крупные дуговые печи и преобразователи тока и частоты предлагается выделять в отдельный класс, для которого уровни ЭМС должны согласовываться с энергоснабжающими организациями.
Уровни ЭМС для ЭМО классов 1 - 3 приведены в табл. 1 и 2 [2]. Для ЭМО класса 2 применяются уровни ЭМС, установленные в ГОСТ 13109-97.
         Уровни ЭМС, соответствующие классу 1, применяются только для сетей до 1000 В, а соответствующие классу 3 - для сетей от 1000 В и выше вплоть до 35 кВ.
                                                           Таблица 2.
Гармоника Уровень ЭМС (напряжений Un, %, гармонических составляющих) для ЭМО класса
1 2 3
5-я 3 6 8
7-я 3 5 7
1 1-я 3 3,5 5
13-я 3 3 4,5
17-я 2 2 4
19-я 1,5 1,5 4
23-я 1,5 1,5 3,5
25-я 1,5 1,5 3,5
> 25-й 0,2 + 12,5/л 0,2 + 12,5/А} 5(11/«)1/2
Нечетные гармоники, кратные трем
3-я 3 5 6
9-я 1,5 1,5 2,5
15-я 0,3 0,3 25
21-я 0,2 0,2 1,75
> 21-й 0,2 0,2 1
Четные гармоники
2-я 2 2 3
4-я 1 1 1,5
6-я 0.5 0,5 1
8-я 0,5 0,5 1
10-я 0,5 0,5 1
> 10-й 0,2 0,2 1
Интергармоники
До 11-й 0,2 0,2 2,5
От 11-й до 13-й включительно 0,2 0,2 2,25
От 13-й до 17-й включительно 0,2 0,2 2
От 17-й до 19-й включительно 0,2 0,2 2
От 19-й до 23-й включительно 0,2 0,2 1,75
От 23-й до 25-й включительно 0,2 0,2 1,5
От 25-й и выше 0,2 0,2 1
 
Уровни ЭМС для различных классов ЭМО можно использовать с целью выявления уровней помехоустойчивости разрабатываемых электроприемников и ТС, а также допустимых уровней эмиссии ЭМП, вносимых ими в питающие сети. Установление классов ЭМО для различных точек присоединения электроприемников, создающих ЭМП, позволяет также правильно определять точки их подключения с учетом помехоустойчивости и вносимых уровней ЭМП.
Как отмечалось, с экономической точки зрения наиболее опасны провалы и прерывания напряжения, однако в нормативной документации этим показателям уделяется мало внимания. Так, в ГОСТ 13109 - 97 нормируется только предельно допустимая длительность провала Δtn = 30 с, а его глубина не устанавливается. Очевидно, это связано большим числом факторов (короткие замыкания, молнии, обрывы проводов, отключения при несчастных случаях, пуск крупных электроприемников и т. д.), обусловливающих эти помехи.
 

Рис. 1.
 
Электроприемники и их системы управления имеют различную чувствительность i провалам напряжения. Как показала практика, наиболее чувствительно к ним оборудование с электронными компонентами - ЭВМ. микропроцессоры, контроллеры, регулируемый электропривод.
На рис. 1, а и б приведены кривые зависимости чувствительности различных устройств от провалов напряжения [7], а на рис. 2 - разработанные для компьютерной техники кривые (ITIC) допустимых амплитуд провалов и бросков напряжения в зависимости от их продолжительности [8]. Зная их можно правильно подбирать средства защиты от провалов напряжения в соответствий с рекомендациями [7, 8, 13 - 18].
Влияние отклонений и колебаний напряжения на различные электроприемники и системы управления описано в [3, 9, 10, 14, 19].
В ряде публикаций [4,7,11] указывается, что при наличии высших гармоник ускоряется износ трансформаторов и электродвигателей. Видимо, авторы исходят из их 100 %-ной загрузки. Между тем на промышленных предприятиях, где большинство подстанций двухтрансформаторные, по условию категорийности питания потребителей коэффициент загрузки трансформаторов не должен превышать 0,7, а в таком случае никакого перегрева из-за высших гармоник не произойдет. Как установлено авторами настоящей статьи, срок службы трансформаторов в сварочных сетях Горьковского автозавода, где отсутствуют средства снижения высших гармоник, составляет от 20 до 40 лет.
Исследования, проведенные на автомобильных предприятиях, показали, что средний коэффициент загрузки электродвигателей находится в пределах 0,65 - 0,75 и только у двигателей насосов, компрессоров, дымососов он достигает 0,85. При таких его значениях перегрева двигателей из-за наличия высших гармоник не происходит.
 

Рис. 2.
 
Особо следует остановиться на ЭМП в виде интергармоник. В ГОСТ 13109 - 97 такого понятия вообще не существует. В стандартах МЭКи ГОСТ Р 51317.2.4 допустимый уровень интергармоник установлен равным 0,2 % номинального напряжения. Основными их источниками являются электроприемники (статические преобразователи частоты, подсинхронные вентильные каскады, асинхронные двигатели, аппараты дуговой сварки и дуговые печи [1]), работающие в переходном режиме.
При воздействии интергармоник возможны нарушения работы устройств, принимающих сигналы, передаваемые по силовым линиям. На дискретных частотах от 0 до 30 Гц интергармоники могут приводить к фликеру. Это обусловлено тем, что данные частоты вызывают амплитудную модуляцию частоты тока, особенно большую при частоте, близкой к 10 Гц.
Приборы для измерения интергармоник в электрических сетях в России не выпускаются. Поэтому их можно определить только путем гармонического анализа реальных графиков случайных процессов изменения тока и напряжения по соответствующей методике [П]. Исследования [20] показывают, что данный анализ очень трудоемок и может давать большие погрешности.

ЗаключениеВ действующих электрических сетях промышленных предприятий интергармоники можно значительно снизить путем установки фильтров (цепей последовательного резонанса) и уменьшения колебаний напряжения. В стандартах МЭК запрещается также передача сигналов по электрическим сетям потребителей электроэнергии.
1. Установлено, что наибольшие ущербы на промышленных предприятиях возникают из-за провалов напряжения, кратковременных перерывов питания, отклонений и искажения формы кривой напряжения.
2. Выявлена необходимость классификации всех электроприемников и технических систем по степени их помехоустойчивости и выбора точки их подключения с учетом электромагнитной обстановки.
3. Следует соблюдать рекомендации по учету и снижению интергармоник в системах электроснабжения.

Список использованной литературы

1.    РД 50-713-92 (МЭК 1000-2-1). Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости в низковольтных системах электроснабжения общего назначения в части низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых по силовым линиям. — М.: Изд-во стандартов, 1993.
2.    ГОСТ Р 51317.2.4-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных кондуктивных помех в системах электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Изд-во стандартов, 2000.
3.  Вагин Г. Я.,     Лоскутов А. Б.,     Севостьянов А. А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учеб. для вузов. — М.: Издательский центр "Академия", 2010.
4.    Степанов В. М. Энергосбережение средствами электропривода в различных технологиях. — Известия Тульского государственного университета. Технические науки, вып. 3, ч. 1, 2010.
5.    IEEE 446 — 1995. IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications. — Institute of Electrical and Electronics Engineers / 03-Jul-1996.
 6.      ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
7.      Экономика в электроэнергетике и энергосбережение посредством рационального использования электротехнологии: Учеб. пособие для вузов / Коллектив авторов. — СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1998.
8.      IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment. - IEEE Std. 1346 - 1998.
9.      Повышение эффективности использования электроэнергии в системах электротехнологии / Б. П. Борисов, Г. Я. Вагин, А. Б. Лоскутов, А. К. Шидлов-ский. — Киев: Наукова думка, 1990.
10.   Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
11.   Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
12.   Аррила Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах / Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
13.   Электромагнитная совместимость и молниезащита в электроэнергетике: Учеб. для вузов / А. Ф. Дьяков, И. П. Кужекин, Б. К. Максимов, А. Г. Темников. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
14.   Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных предприятий / А. К. Шидлов-ский, Б. П. Борисов, Г. Я. Вагин и др. — Киев: Наукова думка, 1992.
15.   Современные способы повышения надежности электроснабжения потребителей напряжением 10, 6 и 0,4 кВ / С. И. Гамазин, В. М. Пупин, Р. В. Зе-лепугин, А. Р. Сабитов. — Промышленная энергетика, 2008, № 8.
16.   Шпиганович А. II., Зацепина В. И., Шилов И. Г. О восстановлении электроснабжения при кратковременных провалах напряжения. — Промышленная энергетика, 2008, № 10.
17.   Кирюхин А. Ю., Буре И. Г. Оптимизация параметров гибридного фильтра высших гармоник для трехфазных сетей переменного тока 0,4 кВ. — Вестник МЭИ, 2008, № 2.
18.   Промышленные испытания активного фильтра в промысловых сетях ОАО "Оренбургнефть" ТНК — BP / Б. Н. Абрамович, А. В. Медведев, В. В. Старостин и др. — Промышленная энергетика, 2008, № 10.
19.   Вагин Г. Я. Режимы электросварочных машин. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
20.   Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Юртаев С. Н. Исследования интергармоник, генерируемых специфическими электроприемниками (Материалы науч.-техн. конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики"). — Н. Новгород: НГТУ, 2011.