Исследование качества электроэнергии

ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день актуальными задачами являются энергосбережение и энергоэффективность, для реализации которых принят и действует Федеральный Закон «Об энергоэффективности». В соответствии со ст. 2 Закона, «Энергосбережение – реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг)».
Оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников позволит применить комплекс мер по снижению потерь электроэнергии, увеличению срока службы оборудования и, в конечном счете, послужит повышению энергоэффективности производства, экономии электроэнергии, снижению издержек производства.
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.
1 ВИДЫ ПОМЕХ  Помеха – это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.
В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывная связь. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.
Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Этот вид помех особенно сказывается в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.
Помехи реального канала связи можно подразделить на внешние и внутренние. Внутренние помехи в основном обусловлены внутренними шумами РПрУ. Внутренние шумы возникают в пассивных элементах РПрУ – резисторах, фильтрах, линиях передачи и в активных приборах, работа которых связана с наличием управляемых потоков носителей зарядов. Внешние ЭМП можно подразделить на помехи естественного и искусственного происхождения [1].
Естественные помехи вызываются различными физическими явлениями в окружающем нас мире, к ним относятся атмоферные помехи и космические шумы.
Атмосферные помехи создаются электромагнитными процессами в земной атмосфере, они возникают на частотах до 25 МГц в результате грозовых электроразрядов. По уровню атмосферные помехи превышают космические шумы.
Космические шумы обусловлены радиоизлучениями солнца и звезд, т.е. термоядерными процессами в звездах, движением заряженных элементарных частиц в космическом пространстве, поглощением атмосферой и поверхностью земли шумового излучения солнца. Солнце создает поток излучения 3,5*1021 (Вт/м2 Гц) на волне 25 см. В результате в антенне РПрУ с эффективной площадью 10 м2 возникает шумовая температура 1250 К. Для борьбы с ними необходимо применять направленные антенны. По характеру спектра – это широкополосные флуктуационные помехи.
Искусственные ЭМП порождаются электромагнитными процессами в технических устройствах и подразделяются на станционные, контактные и индустриальные.
Станционные ЭМП создаются излучениями РПдУ, гетеродинов радиоприемников, генераторами строчной развертки телевизоров и др. Наиболее интенсивные из них - излучения РПдУ, которые нередко являются основным фактором нарушения связи. Такие помехи, как правило, представляют собой узкополосные случайные процессы с логарифмически нормальным законом (ЛНЗ) распределения амплитуд.
Контактные помехи возникают, как правило, на движущихся объектах при действии электромагнитного поля источника на находящиеся в ближней зоне излучения токопроводящие с переменным сопротивлением механические контакты конструкций объектов. Индуцированные в них токи проводимости приводят к возникновению вторичного поля помех, отличающегося по спектральному составу от первичного поля источника. Действие таких помех наблюдается на частотах до 100 МГц. Спектр контактных помех всегда шире спектра источника, причем его ширина и уровень составляющих возрастают с повышением частоты и мощности первичного сигнала и усилением флуктуаций контактного сопротивления.
Индустриальные радиопомехи (ИРП) создаются техническими средствами, использующими в той или иной форме энергию электрического тока. Индустриальные помехи делятся на 2 группы:
квазигармонические узкополосные колебания от генераторов промышленных предприятий;
широкополосные помехи от электросварочных аппаратов, цепей зажигания автомобилей, дуговых прожекторов и т.д.
Индустриальные радиопомехи наблюдаются в широкой полосе частот – от единиц килогерц до единиц гигагерц.
На частотах до 10 кГц могут возникать интенсивные ИРП в виде комбинационных составляющих тока промышленной частоты 50 Гц, создаваемые генераторным и трансформаторным оборудованием.
Уровень таких ИРП в течение суток может изменяться на 20 ... 50%.
На более высоких частотах (до 30 кГц) помехи приближаются по характеру к флуктуационным; с ростом частоты до 100 кГц и более появляются одиночные импульсы и пакеты импульсов значительной амплитуды. Такие помехи оказывают заметное влияние на цифровые элементы и вычислительные средства радиоаппаратуры при ее близком расположении к источнику.
По виду среды распространения различают радиационные и кондуктивные ЭМП. К радиационным относятся атмосферные, космические, индустриальные помехи; помехи от электротранспорта, промышленной и бытовой электроаппаратуры, линий электропередачи (ЛЭП), систем зажигания автомобилей. В ЛЭП имеют место длительные (более 0,5...1 с) флуктуации напряжения, превышающие нормированные отклонения ±(10...15)%, причем провалы наблюдаются значительно чаще, чем перенапряжения [2].
Кондуктивные помехи распространяются от источника к приемнику по физическим цепям питания, заземления и др. К ним относятся помехи, создаваемые медицинскими установками высокой частоты, ЭВМ, устройствами развертки электронно-лучевых трубок. Кондуктивные ИРП затухают медленно и могут распространяться на значительные расстояния.
2 ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Каждый приемник электроэнергии спроектирован для работы при номинальном напряжении и должен обеспечивать нормальное функционирование при отклонениях напряжения от номинального на заданную ГОСТ величину. При изменении напряжения в пределах этого рабочего диапазона могут изменяться значения выходного параметра приемника электроэнергии, например, температура в электротермической установке, освещенность у электро­осветительной установки, полезная мощность на валу электродвигателя и т.д.
Одновременно с изменением выходных параметров, а в ряде слу­чае даже когда выходные параметры не изменяются, изменение напряжения приводит к изменению потребляемой приемником электроэнергии мощности.
Работа электротермических установок при значительном снижении напряжения существенно ухудшается, так как увеличивается длительность технологического процесса.
Печи сопротивления прямого и косвенного действия имеют мощности до 2000 кВт и подключаются к сети напряжением 0,38 кВ, коэффициент мощности близок к 1,0. Регулирующий эффект активной нагрузки печей сопротивления равен 2. Повышение напряже­ния приводит к перерасходу электроэнергии.
Индукционные плавильные печи промышленной частоты и по­вышенной частоты представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы. Печи повышенной частоты питаются от вентильных преобразователей частоты, к которым подводится переменный ток напряжением 0,4 кВ. Индукционные печи имеют низкий коэффициент мощности: от 0,1 до 0,5.
Вентильные преобразователи обычно имеют систему автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регули­рования автоматически увеличивается, что приводит к увеличению потребления мощности преобразователем. Регулирующие эффек­ты нагрузки для ртутно-выпрямительного агрегата с электролизе­ром для активной мощности 3,5; для реактивной мощности 7,6.
Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 - для дуговой сварки и 0,7 - для контактной. При снижении напряжения до 0,9UНОМ время сварки увеличивается на 20 %, а при выходе его за пределы (0,9... 1,1)UНОМ возникает брак сварных швов.
Электрохимические и электролизные установки работают на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности установок 0,8... 0,9. Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению производительности, а повышение напряжения - к недопустимому перегреву ванн электролизера.
Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения. В производственных цехах в настоящее время применяются преимущественно дуговые ртутные лампы высокого давления типов ДРЛ и ДРИ 220 В. Ава­рийное освещение, составляющее 10% от общего, выполняется лампами накаливания. Коэффициент мощности светильников с индивидуальными конденсаторами 0,9...0,95, а без них - 0,6. Лишь лампы накаливания имеют коэффициент мощности 1,0. В цехах, лабораториях, административных помещениях, требующих повышенной освещенности и правильной цветопередачи, устанавливают люминесцентные лампы. Для наружного освещения рекомендуются лампы типа ДРЛ. Регулирующий эффект у ламп накаливания в области номинального напряжения равен 1,6 [3].
Необходимо отметить, что при изменении напряжения изменяется освещенность, световой поток и срок службы лампы. На каждый процент понижения напряжения световой поток уменьшается приблизительно на 3,6 %. Срок службы увеличивается приблизительно на 1,3%.
Люминесцентные лампы также изменяют свое потребление с изменением напряжения.
3 СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПОКАЗАТЕЛЯМИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИМИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ИДЕАЛЬНОГО РЕЗИСТОРАРяд электроприемников имеет нелинейную зависимость потребляемого тока от приложенного напряжения, поэтому они потребляют из сети несинусоидальный ток. Этот ток, протекая из системы по элементам сети, вызывает в них несипусоидальное падение напряжения, которое «накладывается» на приложенное напряжение и искажает его.
Искажение синусоидальности напряжения происходит во всех узлах от источника питания до нелинейного электроприемника. Так как падение напряжения зависит от величины протекающего тока и сопротивления элементов, то и искажения будут тем значительней, чем больше сопротивление от узла нагрузки до источника питания (меньше узла) и больше мощность нелинейной нагрузки [2].
Для формализации определения искажений синусоидальности напряжения используют аппарат разложения периодических функций в ряд Фурье, основанный на следующем принципе: любая периодическая функция может быть получена суммированием синусоид определенной амплитуды и угла сдвига с частотой, кратной исходнойНесинусоидальные токи и напряжения можно представить в виде суммы синусоидальных напряжений и токов при помощи разложения в ряд Фурье с ограничением числа членов.
В зависимости от источника ЭМП можно разделить на естественные и искусственные. Наиболее распространенной естественной ЭМП является электромагнитный импульс при ударе молнии. Искусственные помехи можно разделить на создаваемые функциональными источниками и создаваемые нефункциональными источниками. Функциональным источник помехи будем называть в случае, если для него самого создаваемая ЭМП является полезным сигналом. К таким источникам относятся, прежде всего, передающие устройства радиосвязи, а также аппаратура, использующая цепи питания для передачи информации. Нефункциональными будем называть источники, которые создают ЭМП в качестве побочного эффекта в процессе работы. К ним можно отнести любые проводные коммуникации, создающие электромагнитные поля, коммутационные устройства, импульсные блоки питания аппаратуры и т.п. Электростатический разряд с тела человека также может рассматриваться как создаваемый нефункциональным источником ЭМП. Принципиальное различие между функциональными и нефункциональными источниками состоит в том, что для вторых уровень ЭМП часто можно снизить путем пересмотра конструкции источника, в то время как для функциональных ЭМП такой путь обычно исключается.
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 ИСТОЧНИКОВ 1. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. – М.: «Энергоатомиздат», 2000.
2. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения/ Белоусов В.Н. М.: «Линвит», 2002.
3. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / Кузнецов В.Г, Куренный Э.Г, Лютый А.П. Донецк: Норд-пресс, 2005. – 250 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. 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.
4. Чердынцев, В. А. Радиотехнические системы : [Учеб. пособие по спец. "Радиотехника"] / В. А. Чердынцев. – Минск : Вышэйш. шк., 1988. - 368 с.
5. Тимиргазин, Р. Ф. Электромагнитная совместимость : учебное пособие / Р. Ф. Тимиргазин – Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск : УлГТУ, 2017. − 48 с.