Электромагнитная совместимость и качество электроэнергии

Обеспечение качества электроэнергии, отвечающего нормам ГОСТ 13109-97, является основной задачей при электроснабжении потребителей. Отклонения от номинальных значений, в частности, провалы напряжения, отрицательно отражаются на работе электрооборудования и могут стать причиной серьезного материального ущерба. В данной статье мы ответим на ключевые вопросы, связанные с кратковременным понижением напряжения, рассмотрим природу этого явления и причины его проявления.
Проблема обеспечения синусоидальности тока и напряжения в питающих сетях энергосистем и сетях электроснабжения возникла в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольтамперной характеристикой, таких как электросварка, сталеплавильные печи, неуправляемые и особенно управляемые вентильные преобразователи. В настоящее время проблема возникновения высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.
Проблема регулирования напряжения у отдельных потребителей, как правило, связана с проблемой общего регулирования напряжения в энергосистеме, что, в свою очередь, может быть успешно решено только при наличии резерва реактивной мощности в системе. Очевидным является то, что поддержание качества напряжения может быть осуществлено только на основе согласованных действий и взаимной ответственности за качество электрической энергии как энергосистемы, так и самого потребителя. Непрерывное в течение суток изменение режима работы энергосистемы и потребителей делает задачу удержания напряжения в заданных пределах практически осуществимой только при наличии автоматически действующих средств регулирования напряжения.
1 ПРЕРЫВАНИЯ И ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯК прерываниям напряжения относят прекращение питания потребителей электроэнергии или снижение напряжения в сети ниже 5 % опорного напряжения во всех фазах электрической сети. Термин «опорное напряжение» введен для оценки прерываний, провалов напряжения и перенапряжений в электрической сети. За опорное напряжение может приниматься номинальное или согласованное напряжение.
Прерывания напряжения относят к создаваемым преднамеренно, если пользователь информирован о предстоящем прерывании напряжения, и к случайным – вызываемым длительными или кратковременными неисправностями, обусловленным в основном внешними воздействиями, отказами оборудования или влиянием внешних помех [1].
Преднамеренно создаваемые прерывания напряжения, как правило, обусловлены проведением запланированных работ в электрических сетях.
Случайные прерывания напряжения подразделяются на длительные (длительность более 3 мин) и кратковременные (длительность не более 3 мин).
Ежегодная частота длительных прерываний напряжения в значительной степени зависит от климатических условий и от особенностей системы электроснабжения.
К провалам напряжения относят временное уменьшение напряжения в точке электрической сети ниже установленного порогового значения напряжения. Характеристиками провала напряжения являются:
• пороговое значение начала провала напряжения;
• пороговое значение окончания провала напряжения;
• глубина провала напряжения;
• длительность провала напряжения;
• остаточное напряжение провала напряжения.
Пороговое значение напряжения – среднеквадратическое значение напряжения, установленное для определения начала или окончания провала напряжения [2].
Длительность провала напряжения – интервал времени между началом и окончанием провала напряжения (рис. 1).
В соответствии с требованиями, остаточное напряжение провала напряжения выражают в процентах от опорного напряжения [3].
Провалы напряжения относят к случайным событиям. Причиной провалов напряжения являются короткие замыкания в электрической сети.
Рисунок 1 – Провал напряжения
Глубина провала рассчитывается по формуле:
δUпр=Uоп-UостUоп100,где Uoп – значение опорного напряжения;
Uocт –значение остаточного напряжения.
Характеристики провалов напряжения для кабельных и воздушно-кабельных линий приведена в табл. 1, 2.
Таблица 1 – Результаты измерения характеристик провалов напряжения для кабельных электрических сетей
Остаточное напряжение и в % опорного напряжения Частота провалов, %, при длительности провала, с
0,01-0,1 0,1-0,5 0,5-1 1-3 3-20 20-60
90 > и > 70 63 38 8 1 15 0
70 > и > 40 8 29 4 0 0 0
40 > и > 0 6 17 1 2 1 1
и = 0 1 1 2 1 1 10
Таблица 2 – Результаты измерения характеристик провалов напряжения для смешанных (кабельных и воздушных) электрических сетей
Остаточное напряжение и в % опорного напряжения Частота провалов, %, при длительности провала, с
0,01-0,1 0,1-0,5 0,5-1 1-30 3-20 20-60
90 > и > 70 111 99 20 8 3 1
70 > и > 40 50 59 14 3 1 0
40 > и > 0 5 26 11 4 1 1
и = 0 5 25 104 10 15 24
Потребитель электроэнергии, имея информацию о частоте и глубине провалов напряжения, должен сам решать вопрос о повышении надежности электроснабжения в своих сетях [4].
2 СНИЖЕНИЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВНесинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения (рис. 2). Несинусоидальность напряжения характеризуется значением коэффициента искажения кривой, %, и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения, %.
Рисунок 2 – Несинусоидальность напряжения
Причина возникновения несинусоидальности напряжения – это силовое оборудование с тиристорным управлением, люминесцентные лампы, сварочные установки, преобразователи частоты, импульсные преобразователи напряжения [5].
Источниками искажений являются синхронные генераторы электростанций, силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (при повышенном напряжении на их выводах), преобразовательные устройства переменного тока в постоянный и ЭП с нелинейными вольт – амперными характеристиками (или нелинейные нагрузки).
Искажения, создаваемые синхронными генераторами и силовыми трансформаторами, малы и не оказывают существенного влияния на систему электроснабжения и на работу ЭП. Главной причиной искажений являются вентильные преобразователи, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, ряд электронных технических средств (телевизионные приемники, ПЭВМ), газоразрядные лампы и др. Электронные приемники электроэнергии и газоразрядные лампы создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но общее количество таких ЭП велико.
Несинусоидальность влияет на рост потерь в электрических машинах, вибрации; нарушение работы автоматики защиты; увеличение погрешностей измерительной аппаратуры; отключение чувствительных ЭПУ.
ЭП с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электросети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.
Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря - выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы.
35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.
Источниками несинусоидальности напряжения являются статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, СД, сварочные установки, газоразрядные осветительные приборы, офисная и бытовая техника и так далее.
Строго говоря, все потребители имеют нелинейную вольтамперную характеристику, кроме ламп накаливания, да и те запрещены.
Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:
- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;
- коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.
Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:
- фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию КЛ 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 ЭЭ, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности;
- неправильно срабатывают устройства управления и защиты;
- выходят из строя компьютеры [6].
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 (fn=1=50 Гц, fn=2=100 Гц, fn=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 32144-2013 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно [1].
Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:
- аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения;
- применение оборудования с улучшенными характеристиками;
- ненасыщающиеся трансформаторы;
- преобразователи с высокой пульсностью;
- подключение к мощной системе электроснабжения;
- питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин;
- снижение сопротивления питающего участка сети;
- применение фильтрокомпенсирующих устройств (рис. 3).
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.
Рисунок 3 – Применение фильтрокомпенсирующих устройств
3 СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯНапряжение сети постоянно меняется вместе с изменением нагрузки, режима работы источника питания, сопротивлений цепи. Отклонения напряжения не всегда находятся в интервалах допустимых значений. Причинами этого являются:
а) потери напряжения, вызываемые токами нагрузки, протекающими по элементам сети;
б) неправильный выбор сечений токоведущих элементов и мощности силовых трансформаторов;
в) неправильно построенные схемы сетей.
Контроль за отклонениями напряжения проводится тремя способами:
1) по уровню – ведется путем сравнения реальных отклонений напряжения с допустимыми значениями;
2) по месту в электрической системе – ведется в определенных точках сети, например, в начале или конце линии, на районной подстанции;
3) по длительности существования отклонения напряжения [7].
Регулированием напряжения называют процесс изменения уровней напряжения в характерных точках электрической системы с помощью специальных технических средств.
Локальное регулирование напряжения может быть централизованным, т. е. проводиться в центре питания, и местным, т. е. проводиться непосредственно у по­требителей.
Местное регулирование напряжения можно подразделить на групповое и индивидуальное. Групповое регулирование осуществляется для группы потребителей, а индивидуальное – в основном в специальных целях.
В зависимости от характера изменения нагрузки в каждом из указанных типов регулирования напряжения можно выделить несколько подтипов. Так, например, в централизованном регулировании напряжения можно выделить три подтипа: стабилизация напряжения; двухступенчатое регулирование напряжения; встречное регулирование напряжения.
Стабилизация применяется для потребителей с практически неизменной нагрузкой, например, для трехсменных предприятий, где уровень напряжения необходимо поддерживать постоянным.
В случае переменной в течение суток нагрузки осуществляется так называемое встречное регулирование. Для каждого значения нагрузки будут иметь свое значение и потери напряжения, следовательно, и само напряжение будет изменяться с изменением нагрузки. Чтобы отклонения напряжения не выходили за рамки допустимых значений, надо регулировать напряжение, например, в зависимости от тока нагрузки.
4 ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ СЕТИИзменение потери напряжения в элементах сети может осуществляться изменением сопротивлений цепи, например, изменением сечении проводов и кабелей, отключением или включением числа параллельно включенных линий и трансформаторов.
Выбор сечений проводов, как известно, производится из условий нагрева, экономической плотности тока и по допустимой потере напряжения, а также по условиям механической прочности. Однако расчет сети, особенно высокого напряжения по допустимой потере напряжения, не всегда обеспечивает нормируемые отклонения напряжения у электроприемников. Поэтому в ПУЭ нормируются не потери, а отклонения напряжения.
Реактивное сопротивление сети можно изменять при последовательном включении конденсаторов (продольная емкостная компенсация).
Продольная компенсация реактивной мощности. Продольной емкостной компенсацией называется, способ регулирования напряжения, при котором последовательно в рассечку каждой фазы линии включаются статические конденсаторы для получения надбавок напряжения [8].
Известно, что суммарное реактивное сопротивление электрической цепи определяется разностью между индуктивным и емкостным сопротивлениями.
Изменяя величину емкости включаемых конденсаторов, а, следовательно, и величину емкостного сопротивления, можно получить различные величины потери напряжения в линии, что равнозначно соответствующей надбавке напряжения на зажимах электроприемников.
Последовательное включение конденсаторов в сеть целесообразно при невысоких коэффициентах мощности в воздушных сетях, в которых потеря напряжения в основном определяется ее реактивной составляющей.
Продольная компенсация особенно эффективна в сетях с резкими колебаниями нагрузки, так как ее действие совершенно автоматическое и зависит от величины протекающего тока.
Следует также учитывать, что продольная емкостная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания в сети и может быть причиной резонансных перенапряжений, что требует специальной проверки.
Для целей продольной компенсации нет необходимости устанавливать конденсаторы, рассчитанные на полное рабочее напряжение сети, однако они должны иметь надежную изоляцию от земли.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Согласно ГОСТ 32144-2013 для определения показателей качества электроэнергии провалы следует классифицировать по двум критериям:
Величина остаточного напряжения.
Длительность.
Поскольку появление провалов носит случайный характер, для представленных выше критериев не установлены численные значения. Тем не менее, измерения амплитуды и длительности должны проводиться с целью создания статистического массива, позволяющего установить вероятность случайного события для определенной электросети, с целью характеризовать КЭ.
Что касается «допустимых по ГОСТу провалов», то данное словосочетание не имеет смысла, поскольку под провалом подразумевается отклонение от установленной ГОСТом нормы (0,9Uном). Если быть точным, то можно назвать нормированием допустимую длительность провала (30 с), при превышении которого отклонение считается пониженным напряжением.
Влияние несинусоидального напряжения негативно сказывается, практически на всех электроприёмниках нагрузки. Поэтому очень важно применять средства борьбы с несинусоидальность напряжения.
Уменьшение несинусоидальности напряжения позволяют уменьшить потери на электроэнергию, а значит это экономически выгодно с точки зрения затрат на электроэнергию, особенно в нашем мире, где количество потребителей постоянно растёт.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ1. ГОСТ 32144-13 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – Москва: Стандартинфоррм, 2014. – 16 с.
2. Кузнецов, В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / В. Г. Кузнецов, Э. Г. Куренный, А. П. Лютый. – Донецк : «Донбасс», 2005. – 249 с.
3. Справочник технического переводчика. /Статья Шалыт И.С., 2014 г.
4. Идельчик, В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. / В.И. Идельчик – М.: Энергоатомиздат, 1989, – 592 с: ил.
5. Лыкин, А. В. Электрические системы и сети: Учеб. пособие. – М.: Университетская книга; Логос, 2008 – 254 с.
6. Михалков, А. В. Что нужно знать о регулировании напряжения [Текст]. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Энергия, 1971. - 57 с. : ил.
7. Правила пользования электрической и тепловой энергией [Текст] : Вводятся в действие с 1 февр. 1969 г. / М-во энергетики и электрификации СССР. Гос. инспекция по энерг. надзору. - Москва : Энергия, 1970. - 120 с.
8. Ананичева, С.С. Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах: учебное пособие / С. С. Ананичева, А. А. Алекссев, А. Л. Мызин. – 3-е изд., испр. – Екатеринбург: УрФУ. 2012. – 93 с.