Причины нарушения качества электроэнергии в системах энергоснабжения. Негативные явления в электросети - их влияние на нагрузку и способы борьбы. Несимметрия напряжения. Расчет коэффициента

Проблеме обеспечения качества электрической энергии (КЭ) в электроэнергетических системах России всегда уделялось большое внимание . Разработано много методик составления общих схем замещения систем электроснабжения с несинусоидальной и несимметричной нагрузкой с учетом взаимного влияния энергопотребителей .

В настоящее время практического решения этой проблемы не наблюдается в связи с отсутствием рычагов управления на законодательном уровне. До сих пор в стране не утвержден регламент по качеству электрической энергии. Сертификация электрической энергии в России по двум показателям (установившееся отклонение напряжения и отклонение частоты) не способна решить задачу обеспечения качества в сетях электроснабжения даже в малой степени. Во многом это является принудительным и затратным мероприятием для сетевых организаций, а неплатежи абонентов еще более осложняют эту задачу.

Вместе с тем уже сейчас можно сделать значительный шаг в направлении обеспечения требуемого уровня КЭ сетевых энергосистем (СЭС), затрачивая при этом со стороны сетевых компаний незначительные средства. Речь идет о постепенном переходе к принципам экономической заинтересованности всех сторон в обеспечении требуемого КЭ, которая определяется степенью искажения напряжения электрической сети за счет помех, вносимых как энергоснабжающей организацией, так и потребителями.

Ключевыми здесь являются следующие моменты:

Практическое введение договорных обязательств о разделении взаимной ответственности за КЭ между поставщиками и потребителями электроэнергии;

Разработка системы мер экономического поощрения или наказания в зависимости от воздействия субъекта СЭС на КЭ в сети;

Разработка технических средств измерения и их серийного производства, которые позволят инструментально реализовывать принятые экономические меры;
- введение обязательной сертификации всех вновь присоединяемых и реконструируемых потребителей и электрических станций по допустимому вкладу (эмиссии) в искажения напряжения.

Для обеспечения качества электроэнергии в системах электроснабжения необходимо решить основные задачи:

1.Необходимо разработать и официально утвердить методику определения виновника искажений ПКЭ

2.Обеспечить применение средств учета электроэнергии при одновременном непрерывном контроле ее качества.

Принятая в настоящее время система скидок и надбавок является, по существу, поощрительной и на практике, насколько нам известно, еще не применялась. Одной из основных причин здесь является то, что в настоящее время отсутствуют приборы, которые измеряли бы показатели качества электроэнергии (ПКЭ) на достаточно длительных интервалах времени (не менее месяца) с одновременным учетом потребленной электроэнергии и определением виновника вносимых искажений. Ключевую роль в этом вопросе должно сыграть широкое применение счетчика электрической энергии, который осуществляет расчет за потребленную (отпущенную) электроэнергию в зависимости от показателей ее качества. Такой прибор должен иметь высокую точность (класс 0,5) и измерять одновременно активные и реактивные мощности (в том числе и мощности искажений) во всех квадрантах.

Качество электроэнергии проявляется через качество работы каждого электроприемника. Современные электрические приборы в том числе и бытовые обязательно оснащены стабилизирующим блоком питания (холодильник, кондиционер, стиральная, посудомоечная машина, компьютер и телевизор), они призваны стабилизировать показатели качества электрической энергии с целью максимально продлить срок службы самого прибора. Но формируя пригодные показатели для питания приборов, они неминуемо портят кривые тока и напряжения в сети 220В из-за генерации ими высших гармоник. Это происходит даже на режиме холостого хода, когда телевизор включен в сеть, но не работает.

Генерируемые гармоники оказывают стимулирующий эффект на счетчики электроэнергии, они «разгоняют» счетчик, заставляют его работать в пределах своей погрешности, но в диапазоне завышения значений.

Почему же так важно для потребителя обращать внимание на класс точности? Какую погрешность счетчика выбрать выгоднее?

При сравнении, разница показаний в погрешностях между классом точности 0,5 и 1,0 электросчетчика составляет 3,0%. Годовая переплата за погрешность в измерениях электрической энергии составит около 30% от стоимости счётчика, за три года такая покупка полностью окупит себя.

С учетом постоянного роста стоимости электрической энергии, использование счётчика с классом точности 0,5 позволит точно учитывать потребление и экономить свой бюджет.

Наилучшим решением для потребителя по замене электронного прибора по учёту электрической энергии будет счётчик с классом точности 0,5.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.

2. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.– М.: Энергосервис, 2002.

3. Г.С. Кудряшев, А.Н. Третьяков, О.Н. Шпак, Рахмет Халымийн // Актуальные проблемы эксплуатации машинно-тракторного парка, технического сервиса, энергетики и экологической безопасности в АПК.– Иркутск: ИрГСХА, 2007.

УДК 621.311

В данной статье будут рассмотрены общие принципы функционирования электросети, негативные процессы, происходящие на линиях электроснабжения и различные методы защиты оконечного оборудования.

Единая энергосистема

Почти все электростанции России объединены в единую федеральную энергосистему, которая является источником электрической энергии для большинства потребителей. Важнейшим и обязательным компонентом любой электростанции является трехфазный турбогенератор переменного тока. Три силовые обмотки генератора индуцируют линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Ротор генератора вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту, а линейные напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе. Фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам. Частота переменного тока на выходе генератора зависит скорости вращения ротора, и в номинале составляет 50 Гц.

Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Именно такое напряжение (фазное 220 В) подается в жилой сектор. Линейное напряжение 380 В используется для питания мощного промышленного оборудования. Генератор выдает напряжение в несколько десятков киловольт. Для передачи электроэнергии, с целью уменьшения потерь, напряжение повышают на трансформаторных подстанциях и подают в Линии Электропередачи (далее ЛЭП). Напряжение в ЛЭП составляет от 35 кВ для линий малой протяженности, до 1200 кВ на линиях протяженностью свыше 1000 км. Напряжение повышают с целью уменьшения потерь, которые напрямую зависят от силы тока. С другой стороны, напряжение ограничивается возможностью изоляции воздуха для ЛЭП и диэлектрика кабеля для кабельных линий. Достигнув крупного потребителя (завод, населенный пункт) электроэнергия опять попадает на трансформаторную подстанцию, где трансформируется в 6–10 кВ, которые уже пригодны для передачи по подземным кабелям. У каждого многоквартирного жилого дома, или административного здания стоит трансформаторная подстанция, которая выдает на выходе предназначенные для потребителя 380 В линейного напряжения и, соответственно, 220 В фазного. В подстанцию типично заводят два или три высоковольтных кабеля, что позволяет оперативно восстановить электроснабжение, в случае повреждений на высоковольтном участке трассы. В зависимости от вида подстанции, это может происходить автоматически, полуавтоматически - по команде диспетчера с центрального пульта, и вручную - приезжает аварийка и электрик переключает рубильник. Подстанция также может выполнять функцию регулятора напряжения, переключая обмотки трансформатора, в зависимости от нагрузки. В России на подстанциях применяют схему с заземленной нейтралью, то есть нейтральный (часто называемый нулевым) провод заземлен. По зданию разводка кабеля происходит пофазно, как с целью распараллеливания нагрузки, так и с целью удешевления оборудования (счетчиков, автоматов защиты). Подстанция в сельской местности и для небольших домов представляет собой обычно трансформаторную будку или просто трансформатор внешнего исполнения. Именно поэтому, на исправление аварии в таком месте отводятся сутки. Автоматической регулировки напряжения такие подстанции не имеют, и выдают номинал обычно в часы минимальных нагрузок, в остальное время занижая напряжение.

Нормы качества для электросетей

Документом, устанавливающим нормы качества электроэнергии в России, является ГОСТ 13109-97 принятый 1 Января 1999г. В частности, в нем установлены следующие "нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения ".

Таким образом, даже при нормальном функционировании электросети использование устройств ИБП для компьютерной техники является обязательным, как для защиты целостности данных, так и для обеспечения исправности оборудования. С точки зрения электроснабжения, все потребители делятся на три категории. Для наиболее массовой категории наших читателей, проживающих в домах с числом квартир более восьми или работающих в офисных зданиях с числом сотрудников более 50 актуальна вторая категория. Это означает максимальное время устранения аварии один час и надежность 0,9999. Третья категория характеризуется временем устранения аварии 24 часа и надежностью 0,9973. Первая категория требует надежности 1 и временем устранения аварии 0.

Виды негативных воздействий в электросети

Все негативные воздействия в электросети делятся на провалы и перенапряжения.

Импульсные провалы обычно вызываются перегрузкой оконечных линий. Включение мощного потребителя, такого как кондиционер, холодильник, сварочный аппарат, вызывает кратковременную (до 1-2 с) просадку питающего напряжения на 10–20%. Короткое замыкание в соседнем офисе или квартире может вызвать импульсный провал, в случае, если вы подключены к одной фазе. Импульсные провалы не компенсируются подстанцией и могут вызывать сбои и перезагрузки компьютерной и другой насыщенной электроникой техники.

Постоянный провал, то есть постоянно или циклично низкое напряжение обычно вызвано перегрузкой линии от подстанции до потребителя, плохим состоянием трансформатора подстанции или соединительных кабелей. Низкое напряжение негативно отражается на работе такого оборудования как кондиционеры, лазерные принтеры и копиры, микроволновые печи.

Полный провал (блекаут), это пропадание напряжения в сети. Пропадание до одного полупериода (10 мс) должно по стандарту выдерживать любое оборудование без нарушения работоспособности. На подстанциях старого образца переключения регулятора напряжения или резерва могут достигать нескольких секунд. Подобный провал выглядит как "свет мигнул". В подобной ситуации все незащищенное компьютерное оборудование "перезагрузится" или "зависнет".

Перенапряжения постоянные - завышенное или циклично завышенное напряжение. Обычно является следствием так называемого "перекоса фаз" - неравномерной нагрузки на разные фазы трансформатора подстанции. В этом случае на нагруженной фазе происходит постоянный провал, а на двух других постоянное перенапряжение. Перенапряжение сильно сокращает срок службы самого разного оборудования, начиная от лампочек накаливания… Вероятность выхода из строя сложного оборудования при включении значительно увеличивается. Самое неприятное постоянное перенапряжение - отгорание нейтрального провода, нуля. В этом случае напряжение на оборудовании может достигать 380 В, и это практически гарантирует выход его из строя.

Временное перенапряжение бывает импульсным и высокочастотным.

Импульсное перенапряжение может происходить при замыкании фазовых жил силового кабеля друг на друга и на нейтраль, при обрыве нейтрали, при пробое высоковольтной части трансформатора подстанции на низковольтную (до 10 кВ), при попадании молнии в кабель, подстанцию или рядом с ними. Наиболее опасны импульсные перенапряжения для электронной аппаратуры.

В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.

Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.

1. Отклонение и колебание частоты происходят, в основном, вследствие перегрузок генераторов на электростанции, которые возникают в случае устойчивых коротких замыканий; аварийного отключения параллельно работающих генераторов в часы максимумов нагрузки потребителей, особенно в зимнее время.

2. Отклонения напряжения происходят из-за неправильного выбора элементов сети, нерационального регулирования напряжения путем переключения отпаек у трансформатора, ограниченной мощности источника питания под действием ударных нагрузок.

3. Колебания напряжения в сети обусловлены мощной ударной нагрузкой, сварочными агрегатами, неправильным выбором параметров элементов системы электроснабжения.

4. Несинусоидальность напряжения в сети обусловлена вентильными преобразователями, сварочными выпрямителями, дугоплавильными печами и другой аналогичной нагрузкой. При этом происходит искажение синусоидальной формы тока и напряжения в сети. Значения уровня гармоник в токе и напряжении зависят от величины нагрузки и достигают максимального значения для напряжения при X.X. нагрузки, когда Хн →∞, а для тока - при к.з., когда Хн →0. В промежутке между этими двумя граничными условиями ток Vй гармоники можно определить как:

где ϒ- угол коммутации вентиля.

Следовательно, на значение Кнс влияют режим работы нагрузки, параметры сети и величина нагрузки.

5. Различают длительную и кратковременную несимметрию напряжений. Длительная несимметрия возникает при наличии в сети осветительной нагрузки, однофазных сварочных установок, плавильных печей и т.п. Кратковременная несимметрия обычно связана с аварийными процессами в электрических сетях, такими как к.з., обрывы проводов, замыкания на землю.

6. Неуравновешенность напряжений возникает при увеличении сопротивления цепи нулевого провода в системе с глухозаземленной нейтралью или в системе с изолированной нейтралью при несимметричной нагрузке.

В соответствии с ГОСТ 13109-87 различают основные и дополнительные показатели качества электроэнергии.

К основным показателям качества электроэнергии , определяющим свойства электрической энергии, которые характеризуют ее качество, относятся:

1) отклонение напряжения (δU , %);

2) размах изменения напряжения (δU t, %);

3) доза колебаний напряжений (ψ , %);

4) коэффициент несинусоидальности кривой напряжения (k нсU , %);

5) коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка (kU(n ), %);

6) коэффициент обратной последовательности напряжений (k 2U , %);

7) коэффициент нулевой последовательности напряжений (k 0U , %) ;

8) длительность провала напряжения (Δt пр, с) ;

9) импульсное напряжение (U имп, В, кВ) ;

10) отклонение частоты (Δf , Гц).

Дополнительные показатели качества электроэнергии , представляющие собой формы записи основных показателей качества электроэнергии и используемые в других нормативно-технических документах:

1) коэффициент амплитудной модуляции напряжений (k мод);

2) коэффициент небаланса междуфазных напряжений (k неб.м);

3) коэффициент небаланса фазных напряжений (k неб.ф).

Отметим допустимые значения названных показателей качества электроэнергии, выражения для их определения и области применения. В течение 95% времени суток (22,8 ч) показатели качества электроэнергии не должны выходить за пределы нормально допустимых значений, а в течение всего времени, включая поелсаварийные режимы, они должны находиться в пределах максимально допустимых значений.

Контроль качества электроэнергии в характерных точках электрических сетей осуществляется персоналом предприятия электрических сетей. При этом длительность измерения показателя качества электроэнергии должна составлять не менее суток.

Отклонения напряжения

Отклонение напряжения это один из самых важных показателей качества электроэнергии. Отклонение напряжения находится по формуле

δU t = ((U(t) - Un)/Un) х 100%

где U(t) - действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, или просто действующее значение напряжения (при коэффициенте несиннусоидальности, меньшем или равном 5%), в момент времени t , кВ; Un - номинальное напряжение, кВ.

Величина U t = 1/3 (U AB(1) + U BC(1) + U AC(1)) , где U AB(1) ,U BC(1) , U AC(1) - действующие значения междуфазных напряжений основной частоты.

Из-за изменения нагрузок во времени, изменения уровня напряжений и других факторов изменяется величина падения напряжения в элементах сети и, следовательно, уровень напряжения U t. В результате оказывается, что в различных точках сети в один и тот же момент времени, а в одной точке - в разные моменты, отклонения напряжения различны.

Нормальная работа электроприемников вестях напряжением до 1 кВ обеспечивается при условии, что отклонения напряжения на их входе равны ±5% (нормальное значение) и ±10% (максимальное значение). В сетях напряжением 6 - 20 кВ устанавливается максимальное отклонение напряжения ±10%.

Мощность, потребляемая лампами накаливания, прямо пропорциональна подведенному напряжению в степени 1,58, световая отдача ламп - в степени 2,0, световой поток - в степени 3,61, срок службы ламп - в степени - 13.57. Работа люминесцентных ламп от отклонения напряжений зависит меньше. Так срок их службы изменяется на 4% при отклонении напряжения на 1%.

Снижение освещенности рабочих мест происходит при уменьшении напряжения, что приводит к снижению производительности труда работающих и ухудшению их зрения. При больших снижениях напряжения люминесцентные лампы не загораются или мигают, что приводит к сокращению срока их службы. При повышении напряжения срок службы ламп накаливания резко снижается.

От уровня напряжения зависит скорость вращения асинхронных электродвигателей и, следовательно, их производительность, а также потребляемая реактивная мощность. Последнее отражается на величине потерь напряжения и мощности на участках сети.

Снижение напряжения приводит к увеличению длительности технологического процесса в электротермических и электролизных установках, а также к невозможности устойчивого приема в коммунальных сетях телевизионных передач. В последнем случае применяются так называемые стабилизаторы напряжения, которые сами потребляют значительную реактивную мощность и у которых имеются потери мощности в стали. На их изготовление расходуется дефицитная трансформаторная сталь.

Для обеспечения требуемого напряжения на шинах низкого напряжения всех ТП рименяют так называемое встречное регулирование напряжения в центре питания. Здесь в режиме максимальных нагрузок поддерживается максимально допустимое напряжение на шинах ЦП, а в режиме минимальных нагрузок - минимальное напряжение.

При этом должно применяться и так называемое местное регулирование напряжения в каждом трансформаторном пункте путем установки переключателя ответвлений распределительных трансформаторов в соответствующее положение. В сочетании с централизованным (в ЦП) и указанным местным регулированием напряжения применяются регулируемые и нерегулируемые конденсаторные установки, также относящиеся к средствам местного регулирования напряжения.

Размах изменения напряжения

Размах изменения напряжения представляет собой разность между амплитудными или действующими значениями напряжения до и после одиночного изменения напряжения и определяется по формуле

δUt = ((U i - U i+1)/√2U н) х 100%

где U i и U i+1 - значения следующих друг за другом экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей амплитудных значений напряжения.

К размахам изменения напряжения относят одиночные изменения напряжения любой формы с частотой повторения от двух раз в минуту (1/30 Гц) до одного раза в час, имеющие среднюю скорость изменения напряжения более 0,1% в секунду (для ламп накаливания) и 0,2% в секунду для остальных приемников.

Быстрые изменения напряжения вызываются ударным режимом работы двигателей металлургических прокатных станов тяговых установок железных дорог, луговых сталеплавильных печей, сварочной аппаратуры, а также частыми пусками мощных короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, когда их пусковая реактивная мощность составляет несколько процентов мощности короткого замыкания.

Число изменений напряжения в единицу времени, т. е. частота изменения напряжения, находится по формуле F = m/T , где m - число изменений напряжения за время Т, Т - общее время наблюдения размахов напряжения.

Основные требования, предъявляемые к колебаниям напряжения, обусловливаются соображениями защиты зрения человека. Установлено, что наибольшая чувствительность глаза к мерцанию света находится в области частоты, равной 8,7 Гц. Поэтому для ламп накаливания, обеспечивающих рабочее освещение при значительных зрительных напряжениях, размах напряжения допускается не более 0,3%, для ламп накачивания в быту - 0,4%, для люминесцентных ламп и других электроприемников - 0,6.

Допускаемые размахи колебаний приведены на рис. 1.

Рис. 1. Допустимые размахи колебаний напряжения: 1 - рабочее освещение лампами накаливания при большом зрительной напряжении, 2 - бытовые лампы накаливания, 3 - люминесцентные лампы

Область I соответствует работе насосов и бытовых приборов, II - кранов, подъемников, III - дуговых печей, ручной контактной сварке, IV - работе поршневых компрессоров и автоматической контактной сварке.

Для снижения размаха изменения напряжения в осветительной сети применяют раздельное питание приемников осветительной сети и силовой нагрузки от разных силовых трансформаторов, продольную емкостную компенсацию питающей сети, а также синхронные электродвигатели и искусственные источники реактивной мощности (реакторы или конденсаторные батареи, ток которых формируется с помощью управляемых вентилей для получения требуемой реактивной мощности).

Доза колебаний напряжения

Доза колебаний напряжения идентична размаху изменения напряжения и в действующих электрических сетях вводится по мере их оснащения соответствующими приборами. При использовании показателя "доза колебаний напряжения" оценка допустимости размаха изменения напряжения может не производиться, так как рассматриваемые показатели взаимозаменяемы.

Доза колебаний напряжения также представляет собой интегральную характеристику колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение из-за миганий света в диапазоне частот от 0,5 до 0,25 Гц.

Допустимое максимальное значение дозы колебаний напряжения (ψ, (%) 2) в электрической сети, к которой присоединяются осветительные установки, не должно превосходить: 0,018 - с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение; 0,034 - с лампами накаливания во всех других помещениях; 0,079 - с люминесцентными лампами.

Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения

При работе в сет мощных выпрямительных и преобразовательных установок, а также дуговых печей и установок для сварки, т. е. нелинейных элементов, происходит искажение кривых тока и напряжения. Несинусоидальные кривые тока и напряжения представляют собой гармонические колебания, имеющие различные частоты (промышленная частота - это низшая гармоника, все остальные по отношению к ней - высшие гармоники).

Высшие гармоники в системе электроснабжения вызывают дополнительные потери энергии, сокращают срок службы косинусных конденсаторных батарей, электродвигателей и трансформаторов, приводят к трудностям при наладке релейной защиты и сигнализации, а также эксплуатации электроприводов с тиристорным управлением и т. д.

где N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих, Un - действующее значение n -й (n = 2, ... N ) гармонической составляющей напряжения, кВ.

Нормальные и максимальные допустимые значения k нсU не должны соответственно превышать: в электрической сети напряжением до 1 кВ - 5 и 10%, в электрической сети 6 - 20 кВ - 4 и 8%, в электрической сети 35 кВ - 3 и 6%, в электрической сети 110 кВ и выше 2 и 4%.

Для снижения высших гармоник применяются силовые фильтры, представляющие собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на определенную гармонику. С целью исключения гармоник низших частот применяют преобразовательные установки с большим числом фаз.

Коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка

Коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка представляет собой отношение действующего значения n -й гармонической составляющей напряжения к действующему значению напряжения основной частоты, т. е. kU(n) = (Un /U н) х 100%

По значению коэффициента kU(n) определяется спектр n -х гармонических составляющих, на подавление которых должны быть рассчитаны соответствующие силовые фильтры.

Нормальные и максимальные допустимые значения не должны соответственно превышать: в электрической сети напряжением до 1 кВ - 3 и 6%, в электрической сети 6 - 20 кВ 2,5 и 5% , в электрической сети 35 кВ - 2 и 4 %, в электрической сети 110 кВ и выше 1 и 2 %.

Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений возникает из-за нагрузки однофазных электроприемников. Так как распределительные сети напряжением выше 1 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью, то обусловлена появлением напряжения обратной последовательности. Несимметрия проявляется в виде неравенства и характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений :

k 2U = (U 2(1) /U н) х 100%,

где U 2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, кВ. Значение величины U 2(1) можно получить измерением трех напряжений основной частоты, т. е. U А (1) , U B(1) , U C(1) . Тогда

где y А, y B и y C - проводимости фаз А, B и C приемника.

В сетях напряжением выше 1 кВ несимметрия напряжений проявляется в основном из-за однофазных электротермических установок (дуговых печей косвенного действия, печей сопротивления, индукционных канальных печей, установок электрошлакового переплава и др.

Наличие напряжения обратной последовательности приводит к дополнительному нагреву обмоток возбуждении синхронных генераторов и увеличению их вибрации, к дополнительному нагреву электродвигателей и резкому сокращению срока службы их изоляции, снижению реактивной мощности, генерируемой силовыми конденсаторами, дополнительному нагреву линий и трансформаторов? увеличению количества ложных срабатываний релейной защиты и т д.

На зажимах симметричного элсктроприемника нормально допустимый коэффициент несимметрии равен 2%, а максимально допустимый - 4%.

Влияние несимметрии значительно уменьшается при питании однофазных электроприемников от отдельных трансформаторов, а также при применении управляемых и неуправляемых симметрирующих устройств, компенсирующих эквивалентный ток обратной последовательности, потребляемый однофазными нагрузками.

В четырехпроводных сетях напряжением до 1 кВ несимметрия, обусловленная однофазными приемниками, подключенными к фазным напряжениям, сопровождается прохождением тока в нулевом проводе и, следовательно, появлением напряжения нулевой последовательности.

Коэффициент нулевой последовательности напряжений k 0U = (U 0(1) /U н.ф.) х 100%,

где U0(1) -действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты, кВ; U н.ф. - номинальное значение фазного напряжения, кВ.

Величина U 0(1) определяется измерением трех фазных напряжений основной частоты, т. е.

где у A , у B , у C , y O - проводимости фаз А, В, С приемника и проводимость нулевого провода; U A (1 ) , U B(1) , U C(1) - действующие значения фазных напряжений.

Допустимое значение U 0(1) ограничивается требованиями, предъявляемыми к отклонению напряжения, которые удовлетворяются коэффициентом нулевой последовательности, равным 2% в качестве нормального уровня и 4% максимального уровня.

Снижение значения может быть достигнуто рациональным распределением однофазной нагрузки между фазами, а также увеличением сечения нулевого провода до сечения фазных проводов и применением трансформаторов в распределительной сети с группой соединения "звезда - зигзаг".

Провал напряжения и интенсивность провалов напряжения

Провал напряжения - это внезапное значительное понижение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких периодов до нескольких десятков секунд.

Длительность провала напряжения Δt пр - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжениядо первоначального или близкого к нему уровня (рис. 2), т.е. Δt пр = t вос - t нач.

Рис. 2. Длительность и глубина провала напряжения

Значение Δt пр составляет от нескольких периодов до нескольких десятков секунд. Провал напряжения характеризуется интенсивностью и глубиной провала δ Uпр, представляющей собой разность между номинальным значением напряжения и минимальным действующим значением напряжения Umin в течение провала напряжения, и выражается в процентах номинального значения напряжения или в абсолютных единицах.

Величина δ Uпр определяется следующим образом:

δUпр = ((Uн - Umin ) /Uн) х 100% или δUпр = Uн - Umin

Интенсивность провалов напряжения m * представляет собой частоту появления в сети провалов напряжения определенной глубины и длительности, т. е. m * = (m(δUпр, Δ tпр)/ M) х 100%, где m(δUпр, Δ tпр) - число провалов напряжения глубиной δUпр и длительностью Δ tпр за время Т ; М - суммарное число провалов напряжения за время Т.

К провалам напряжения, возникающим в большинстве случаев при коротких замыканиях в сети, чувствительны некоторые виды элекгропрнемников (ЭВМ, ), поэтому в проектах электроснабжения таких приемников должны предусматриваться меры по снижению длительности, интенсивности и глубины провалов напряжения. Допустимые значения длительности провалов напряжения ГОСТ не указывает.

Это резкое изменение напряжения, за которым следует восстановление напряжения до обычного уровня за промежуток времени от нескольких микросекунд до 10 миллисекунд. Оно представляет собой максимальное мгновенное значение напряжения импульса U имп (рис. 3).

Рис. 3. Импульсное напряжение

Импульсное напряжение характеризуется амплитудой импульса U" имп, представляющей собой разность между импульсом напряжения и мгновенным значением напряжения основной частоты, соответствующим моменту начала импульса. Длительность импульса t имп - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до обычного уровня. Может быть вычислена длительность импульса t имп0,5 по уровню 0,5 его амплитуды (см. рис. 3).

Импульсное напряжение определяется в относительных единицах по формуле ΔU имп = U имп/(√2U н)

К импульсам напряжения чувствительны также такие электроприемники, как ЭВМ, силовая электроника и др. Импульсные напряжения появляются вследствие коммутаций в электрической сети. Меры по снижению импульсных напряжений должны предусматриваться при разработке конкретных проектов электроснабжения. Допустимые значения импульсных напряжений ГОСТ не указывает.

Отклонения частоты

Изменения частоты обусловлены изменениями суммарной нагрузки и характеристиками регуляторов частоты вращения турбин. Большие отклонения частоты возникают в результате медленного регулярного изменения нагрузки при недостаточном резерве активной мощности.

Частота напряжения в отличие от других явлений, ухудшающих качество электроэнергии, является общесистемным параметром: все генераторы, присоединенные к одной системе, генерируют электроэнергию на напряжении одинаковой частоты - 50 Гц.

Согласно первому закону Кирхгофа всегда существует строгий баланс между выработкой и генерацией мощности. Поэтому любое изменение мощности нагрузки вызывает изменение частоты, что приводит к изменению выработки активной мощности генераторов, для чего блоки "турбина - генератор" оборудуют устройствами, позволяющими регулировать поступление энергоносителя в турбину в зависимости от изменений частоты в электрической системе.

При определенном росте нагрузки оказывается, что мощность блоков "турбина - генератор" исчерпана. Если нагрузка продолжает увеличиваться, баланс устанавливается при пониженной частоте - возникает отклонение частоты. В этом случае говорят о дефиците активной мощности для поддержания номинальной частоты.

Отклонение частоты Δ f от номинального значения f н определяется по формуле Δ f = f - f н, где f - текущее значение частоты в системе.

Изменения частоты, превышающие 0,2 Гц, существенно влияют на технико-экономические показатели работы электроприемников, поэтому нормально допустимое значение отклонения частоты равно ±0,2 Гц, а максимально допустимое значение отклонений частоты составляет ± 0,4 Гц. В послеаварийных режимах допускается отклонение частота от +0,5 Гц до - 1 Гц в течение не более 90 ч в год.

Отклонение частоты от номинальной приводит к увеличению потерь энергии в сети, а также к снижению производительности технологического оборудования.

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения и коэффициент небаланса междуфазных и фазных напряжений

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения характеризует колебания напряжения и равен отношению полуразности наибольшей и наименьшей амплитуд модулированного напряжения, взятых за определенный интервал времени, к номинальному или базовому значению напряжения, т. е.

k мод = (U нб - U нм)/(2√2U н),

где U нб и U нм - соответственно наибольшая и наименьшая амплитуды модулированного напряжения.

Коэффициент небаланса междуфазных напряжений k неб.мф характеризует несимметрию междуфазных напряжений и равен отношению размаха небаланса междуфазных напряжений к номинальному значению напряжения:

k неб.мф = ((U нб - U нм)/U н) х 100%

где U нб и U нм - наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений.

Коэффициент небаланса фазных напряжений k неб.ф характеризует несимметрию фазных напряжений и равен отношению размаха небаланса фазных напряжений к номинальному значению фазного напряжения:

k неб.ф = ((U нб.ф - U нм.ф)/U н.ф) х 100%,

где U нб и U нм - наибольшее и наименьшее действующие значения из трех фазных напряжений, U н.ф - номинальное значение фазного напряжения.

Качество электроэнергии требуется выражать количественными показателями для оценки питающей сети. Провайдеры обязаны поддерживать соответствие ГОСТам таких характеристик, как колебание напряжения и частоты. В зависимости от подключенных потребителей значения основных показателей меняются, что может при значительных их отклонениях приводить к выходу из строя бытовых приборов.

Что влияет на характеристики питающей сети?

Качество электроэнергии зависит от огромного числа факторов, изменяющих показатели сверх установленных нормативами пределов. Так, напряжение может оказаться завышенным из-за аварии на подстанции. Заниженные значения появляются в вечернее время суток или в летний сезон, когда люди возвращаются домой и включают телевизоры, электрические плиты, сплит-системы.

Качество электроэнергии согласно ГОСТам может незначительно колебаться. В очень плохих питающих сетях потребителям приходится пользоваться стабилизаторами напряжения. Контроль над характеристиками возложен на Роспотребнадзор, куда можно обращаться при возникающих несоответствиях.

Качество электроэнергии может зависеть от следующих факторов:

• Суточных колебаний, связанных с неравномерным подключением потребителями либо с влиянием приливов и отливов на морских станциях.
• Изменениями воздушной среды: влажности, образование льда на питающих проводах.
• Изменением ветра, когда питание вырабатывают ветровики.
• Качеством проводки, со временем она изнашивается.

Зачем нужны основные характеристики питающей сети?

Количественная величина и погрешности отклонения параметров устанавливаются согласно ГОСТ. Качество электроэнергии прописано в документе 32144-2013. Потребовалось узаконить эти показатели из-за риска возгорания приборов потребителя, а также нарушения функционирования электроприборов чувствительных к перепадам напряжения установок. Последние устройства распространены в медицинских учреждениях, научных центрах, на военных объектах.

Электроэнергии обновлены в 2013 году в связи с развитием рынка сбыта энергии и появлением новых электронных устройств. Рассматривать электричество в рамках его поставки следует как продукцию, соответствующую определённым критериям. При отклонении установленных характеристик к провайдерам может применяться административная ответственность. Если же по вине колебаний входящего напряжения пострадали или могло пострадать люди, то может возникнуть уже уголовная ответственность.

Что происходит с потребителями при отклонении нормальных режимов питания?

Параметры качества электроэнергии влияют на длительность работы подключаемых устройств, часто это становится критично на производствах. Падает производительность линий, увеличивается Так на валу двигателей снижается вращающий момент при падении значений показателей питающей сети. Укорачивается срок службы ламп освещения, световой поток ламп становится меньше либо мерцает, что сказывается на выпускаемой продукции в теплицах. Существенное влияние оказывается на процессы других биохимических реакций.

Согласно законам физики снижение напряжения при неизменной нагрузке на валу двигателя приводит к стремительному росту тока. Это, в свою очередь, приводит к сбоям в работе защитных выключателей. В результате плавится изоляция, в лучшем случае горят в худшем безвозвратно портятся обмотки двигателей, элементы электроники. При аналогичных обстоятельствах электросчетчик начинает вращаться с большей скоростью. Хозяин помещения терпит убытки.

Критерии оценки питающей сети

Что же содержит ГОСТ? Качество электроэнергии определяется характеристиками трёхфазных сетей и распространенных в быту цепей частотой 50 Гц:

• Установившееся значение отклонения напряжения определяет величину характеристики, при которой потребители могут функционировать без сбоя. Устанавливается нижний нормальный предел от 220 В это 209 В и верхний равен 231 В.
• Размах изменения входного напряжения представляет собой разность величин действующей и амплитудной. Замеры производят за цикл перепада параметра.
• Доза фликера подразделяется на кратковременную в пределах 10 минут и длительную, определяемую 2 часами. Обозначает степень восприимчивости человеческого глаза к мерцанию света, причиной которого стало колебание питающей сети.
• Импульсное напряжение описывается временем восстановления, имеющего разную величину в зависимости от причины возникновения скачка.
• Коэффициенты для оценки качества питающей сети: по искажению синусоидальности, значения временного перенапряжения, гармонических составляющих, несимметричности по обратной и нулевой последовательностях.
• Интервал провала напряжения определяется периодом восстановления параметра, установленного согласно ГОСТ.
• Отклонение питающей частоты приводит к повреждениям электрических частей и проводников.

Фиксируемое отклонение входной величины

Показатели качества электроэнергии стараются сделать соответствующими установленным номиналам, прописанным в законодательных актах. Внимание уделяется погрешностям, возникающим при замерах U и f. Если имеются погрешности, то можно обращаться в надзорные органы, чтобы привлечь к ответственности поставщика электричества.

Общие требования к качеству электроэнергии включают параметр отклонения питающего напряжения, который подразделяют на две группы:

• Нормальный режим, когда отклонение составляет ±5 %.
• Предел допустимого режима установлен для колебаний ±10 %. Это составит для сети 220 В минимальный порог 198 В и максимальный 242 В.

Восстановление напряжения должно происходить во временной интервал не более двух минут.

Размах изменения питающей сети

Нормы качества электроэнергии содержат надзор за таким параметром, как колебание составляющих напряжения. Он устанавливает разницу между верхним порогом амплитуды и нижним. Учитывая, что допуски отклонения параметра от установленного укладываются в предел ±5 %, то размах предельный режим не может превышать ±10 %. Питающая сеть 220 В не может колебаться более или менее 22 В, а 380 В работает нормально в границах ±38 В.

Результирующий размах колебаний напряжения рассчитывается по следующему выражению ΔU = U max −U min , в нормативах результаты указываются в % согласно расчетам ΔU = ((U max −U min)/U nominal)*100%.

Неустойчивость входного значения

Система качества электроэнергии включает замеры дозы фликера. Этот показатель фиксирует специальный прибор — фликерметр, который снимает амплитудно-частотную характеристику. Полученные результаты сравнивают с кривой чувствительности зрительного органа.

ГОСТом установлены допустимые пределы изменения дозы фликера:

• Кратковременные колебания показатель не должен быть выше 1,38.
• Длительные изменения должны укладываться в значение параметра 1,0.

Если речь идет о верхнем пределе показателя цепи ламп накаливания, то требуется, чтобы результат попал в следующие границы:

• Кратковременные колебания — показатель установлен равным 1,0.
• Продолжительные изменения параметра — 0,74.

Ощутимые перепады

Измерения качества электроэнергии предусматривают замеры такой составляющей, как импульсы питающего напряжения. Он объясняется резкими спадами и подъемами электричества в пределах выбранного интервала. Причинами такого явления может быть одновременная коммутация большого числа потребителей, влияние электромагнитных помех из-за грозы.

Установлены периоды восстановления напряжения, не влияющие на работу потребителей:

• Причины перепадов — это гроза и другие природные электромагнитные помехи. Период восстановления равен не более 15 мкс.
• Если импульсы появились из-за неравномерной коммутации потребителей, то период намного больше и равен 15 мс.

Наибольшее число аварий на подстанциях происходит по причине удара молнии в установку. Сразу страдает изоляция проводников. Величина перенапряжения может достигать сотен киловольт. Для этого предусмотрены защитные приспособления, но иногда они не выдерживают, и наблюдается остаточный потенциал. В эти моменты неисправность не возникает благодаря прочности изоляции.

Продолжительность спада входной величины

Измеренный параметр описывают как провал напряжения, укладывающийся в границы ±0,1U nominal за интервал в несколько десятков миллисекунд. Для сети 220 В изменение показателя допускается до 22 В, если 380 В, то не более 38 В. Глубина спада рассчитывается согласно выражению: ΔU n =(U nominal −U min)/U nominal .

Продолжительность спадла рассчитывается согласно выражению: Δt n =t k −t n , здесь t k — это период, когда напряжение уже восстановилось, а t n — точка начала отсчета, момент когда произошло падение напряжения.

Контроль качества электроэнергии обязывает учитывать частоту появления провалов, определяемую по формуле: Fn=(m(ΔU n ,Δt n)/M)*100%. Здесь:

• m(ΔU n ,Δt n) определяется как количество спадов в установленное время при глубине ΔU n и продолжительности Δt n .
• М - общий счет спадов в течение выбранного периода.

Зачем нужна величина спада

Параметр продолжительность спада входной величины требуется для оценки надежности подводящей энергии в количественном выражении. На этот показатель может влиять периодичность аварий на подстанции из-за халатности персонала, молний. Результатом исследования провалов становятся прогнозы по степени отказа в рассматриваемой сети.

Статистика позволяет делать приближенные выводы о стабильности подачи Провайдеру электричества предоставляются рекомендуемые данные для проведения профилактических мероприятий на установках.

Отклонение частоты

Соблюдение частоты в определенных границах относится к необходимому требованию потребителя. При снижении показателя на 1 %, потери составляют более 2 %. Это выражается в экономических затратах, снижение производительности предприятий. Для обычного человека это приводит к повышенным суммам в квитанциях по оплате за электричество.

Скорость вращения асинхронного двигателя напрямую зависит от частоты питающей сети. Нагревающие ТЭНы имеют меньшую производительность при снижении параметра меньше 50 ГЦ. При завышенных значениях может происходить повреждение потребителей либо других механизмов, не рассчитанных на высокий момент вращения.

Отклонение частоты может повлиять на работу электроники. Так на экране телевизора возникают помехи при изменении показателя на ±0,1Гц. Кроме визуальных дефектов, возрастает риск вывода из строя микроэлементов. Методом борьбы с отклонениями качества электроэнергии выступает введение резервных питающих узлов, позволяющих в автоматическом режиме восстанавливать напряжение в установленные промежутки времени.

Коэффициенты

Для нормальной работы питающей сети введен контроль следующих коэффициентов:

• Несинусоидальности кривой напряжения. Искажение синусоиды происходит за счет мощных потребителей: ТЭНов, конвекционных печей, сварочных аппаратов. При отклонениях этого параметра снижается срок службы обмоток двигателей, нарушается работа релейной автоматики, выходят из строя приводные системы на тиристорном управлении.
• Временного перенапряжения является количественной оценкой импульсного изменения входной величины.
• N-ой гармоники является характеристикой синусоидальности получаемой на входе характеристики напряжения. Расчетные значения получают из табличных данных для каждой гармоники.
• Несимметрия входной величины по обратной или нулевой последовательности важно учитывать для исключения случаев неравномерного распределения фаз. Такие условия возникают чаще при обрыве питающей сети, подключенной по схеме звезды или треугольника.

Виды защиты от непредсказуемых изменений в питающей сети

Повышение качества электроэнергии нужно проводить в определенные законом сроки. Но защиту своего оборудования потребитель вправе выстраивать применением следующих средств:

• Стабилизаторы питания гарантируют поддержание входной величины в указанных границах. Достигается качественная энергия даже при отклонениях входной величины более чем на 35 %.
• Источники предназначены для поддержания работоспособности потребителя в течение установленного промежутка времени. Питание приборов происходит за счет накопленной энергии в собственной батарее. При отключении электричества, бесперебойники способны поддерживать работоспособность аппаратуры целого офиса в течение нескольких часов.
• Приборы защиты от скачков напряжения работают по принципу реле. После превышения входной величины установленного предела происходит размыкание цепи.

Все виды защиты приходится комбинировать для обеспечения полной уверенности в том, что дорогостоящая техника останется целой во время аварии на подстанции.