лекция 17.Качество электроэнергии
реклама
Качество электроэнергии характеризуется показателями, определяющими степень соответствия напряжения и частоты в сети их нормированным значениям. Обычно предполагается, что работа всех электроприемников и аппаратов наиболее целесообразна с технической и экономической точек зрения при номинальных параметрах (fном, Uном, Iном). На первых этапах проблема качества электроэнергии состояла в поддержании уровней напряжения и частоты сети, близких к номинальным. В настоящее время имеется большое количество нетрадиционных электроприемников (выпрямительные установки, электролиз, электротранспорт) с резкопеременными нагрузками либо неравномерностью их распределения по фазам и наличием несинусоидальных токов и напряжений. Эти электроприемники привели к нарушениям качества электроэнергии. К основным показателям качества электроэнергии (ПКЭ), для которых установлены допустимые значения, относят: отклонение напряжения, размах изменения напряжения, коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, отклонение частоты. Отклонение частоты одинаково для всей энергосистемы, т.к. значение частоты в данный момент определяется частотой вращения генераторов. В нормальных установившихся режимах все генераторы имеют синхронную частоту. Поэтому отклонение частоты – общесистемный ПКЭ. Напряжения в различных точках сети имеют разные значения. Поэтому показатели качества напряжения локальные, т.е. имеют разные значения в различных точках электрической сети. В реальных режимах электрических сетей напряжения всегда отличаются от номинальных. Отклонение напряжения – разность между действительным значением напряжения U и его номинальным значением для сети Uном. Частота в системе оценивается по показателю отклонения частоты. Отклонение частоты Δf – это отличие ее фактического значения f от номинального fном в данный момент времени, выраженное в герцах или процентах: f f f í î ì ; f fí î ì f % 100% . fí î ì Отклонение частоты допускается: нормальное – в пределах ±0,2 Гц и максимальное – в пределах ±0,4 Гц. Приведенные нормы отклонений частоты относятся к нормальному режиму работы энергосистемы и не распространяются на послеаварийные режимы. В послеаварийных режимах работы электрической сети допускается отклонение частоты от плюс 0,5 Гц до минус 1 Гц общей продолжительностью за год не более 90 ч. К поддержанию частоты в электрических системах предъявляются повышенные требования, т.к. следствием больших отклонений могут являться выход из строя оборудования станции, понижение производительности двигателей, нарушение технологического процесса и брак продукции. Если не предпринять определенные меры по предотвращению снижения частоты системы (АЧР, отключение неответственных потребителей и т.п.), то это не только приведет к браку продукции, но и развалу энергосистемы (как это было во время аварии в Москве и США). Причины возникновения несинусоидальности напряжений и токов – наличие вентильных преобразователей переменного тока в постоянный и наоборот, которые применяются для питания электротранспорта (трамвай, троллейбусы, железнодорожный транспорт); электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) – люминесцентные лампы, генераторы или трансформаторы в режиме из работы на нелинейной части кривой насыщения. Несинусоидальность напряжений и токов вызывает ускоренное старение изоляции электрических машин, кабелей, трансформаторов в основном в результате повышенного нагрева, а также из-за возникновения и протекания в изоляции ионизационных процессов, обуславливающих ее старение при высоких частотах электрического поля. Высшие гармоники в кривой напряжения приводят к сокращению срока службы кабелей, повышению аварийности в кабельных сетях, увеличению числа необходимых ремонтов, а следовательно, к увеличению затрат на их эксплуатацию. Наличие высших гармоник в кривой напряжения существенно увеличивают погрешности активных и реактивных счетчиков индукционного типа. Помехи, вызываемые высшими гармониками, могут привести к ухудшению работы устройств автоматики, телемеханики и связи как на промышленных предприятиях, так и в энергосистемах. Гармоники тока, проникая в сети энергосистем, приводят к ухудшению работы ВЧ связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит. Снижение несинусоидальности напряжений и токов необходимо в тех случаях, когда значения токов и напряжений высших гармоник больше допустимых. Использование фильтров – распространенный способ снижения уровня высших гармоник. Помехоподавляющий фильтр должен быть рассчитан на гармонику. Электроэнергия как товар обладает целым рядом специфических свойств [16.1]. Она непосредственно используется при создании других видов продукции и оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий. Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается от качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприемников (ЭП). Поэтому если ЭП работает неудовлетворительно, и в каждом конкретном случае качество электроэнергии соответствует установленным требованиям, то причину следует искать в качестве изготовления ЭП. Если параметры КЭ не соответствуют требованиям, то предъявляются претензии поставщику — электроснабжающей организации. Качество электроэнергии на месте производства не гарантирует ее качества в точке присоединения потребителя. Характер самого производственного процесса существенно влияет на параметры КЭ, и в точке присоединения оно может быть различно до и после включения потребителя. Качество электроэнергии является составляющей электромагнитной совместимости, характеризующей электромагнитную среду. Электроприемники и аппараты, присоединенные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных номинальных параметрах: номинальной частоте, номинальном напряжении, номинальном токе, изменяющемся по синусоидальному закону. В системе электроснабжения всегда возможно отклонение от этих требований, определяемых показателями качества электрической энергии (ПКЭ). Качество электрической энергии — это совокупность ее характеристик по частоте и напряжению, называемых показателями качества электроэнергии, определяющих воздействие электроэнергии на электрооборудование, электрические аппараты и приборы, подключенные к электрической сети, оцениваемое по соответствию этих ПКЭ установленным требованиям. В терминах электромагнитной совместимости ПКЭ — уровень электромагнитной помехи, создаваемой кондуктивным путем в электрической сети в едином и неразрывном процессе производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Электромагнитная совместимость (ЭМС) характеризует не только взаимодействие между электрическими приборами, аппаратами, электрооборудованием и электромагнитной средой, но и взаимодействия этих технических средств между собой. Под ЭМС понимают способность электротехнических средств или их элементов нормально функционировать в данной электромагнитной среде (обстановке), не внося недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны. Если ЭМС не обеспечена, т.е. отдельные элементы электротехнических средств или прибор в целом не обладают заданной помехоустойчивостью к внутренним (между элементами) и внешним (по отношению к прибору) помехам, то тем самым создаются условия для: функциональных нарушений с большими или меньшими последствиями, связанными с отказами, с сокращением срока службы и выходом из строя оборудования, браком продукции, авариями, ложными срабатываниями защиты и автоматики и т. п.; ухудшения качества электроэнергии; ухудшения электромагнитной обстановки в окружающем пространстве; поражения обслуживающего персонала. Предпосылкой для этого являются неучтенные ЭМП или ЭМП, защита от которых не предусмотрена. Электромагнитная помеха — это случайное электромагнитное воздействие, способное вызывать в электротехническом устройстве нарушение функционирования, отказ, разрушение. Помеха может проявляться как ток, напряжение, электромагнитное поле. В практике различают кондуктивные и полевые ЭМП. К кондуктивным относятся помехи, распространяющиеся по проводам, в частности по электрической сети. Полевые помехи распространяются через окружающее пространство. Помехи создаются источниками помех, которыми могут быть как электротехнические средства, так и электротехнологические процессы. Так, например, воздушная линия высокого напряжения (средство) создает полевые помехи при передаче электроэнергии (технологический процесс), влияющие на линии связи. Напряженность электрического и магнитного полей вокруг линии электропередачи характеризует электромагнитную обстановку. Преобразователи тяговой подстанции электрифицированного транспорта создают кондуктивные помехи в электрической сети, от которой они питаются. Искажения синусоидальной формы напряжения под воздействием протекающих по электрической сети токов высших гармоник характеризуют электромагнитную обстановку в этой сети. Важной характеристикой электромагнитной обстановки является уровень ЭМС. Уровень ЭМС — это установленное значение ЭМП, при котором с наибольшей вероятностью гарантируется нормальное взаимодействие (функционирование) всех технических средств, являющихся как источниками помех, так и средствами, восприимчивыми к этим помехам. Так, нормированные (допустимые) значения ПКЭ являются теми уровнями ЭМС электрической сети, при которых гарантируется нормальное функционирование любых электротехнических средств, подключенных к этой сети, если эти ПКЭ не превосходят допустимых значений. С другой стороны, электротехнические средства характеризуются своими допустимыми уровнями ЭМС, которые определяют их помехоустойчивость, при которой и гарантируется нормальное функционирование этих средств. Очевидно, уровни помехоустойчивости должны быть выше значений ПКЭ в электрической сети. Уровень ЭМП может достигнуть порогового значения, превышающего уровень помехоустойчивости конкретного устройства, что вызовет нарушение его функционирования (отказ). Такое пороговое значение называется помеховосприимчивостъю. Нарушение функционирования может быть как обратимым, так и необратимым. В первом случае, после снятия нарушающего воздействия или снижения уровня ЭМП, устройство восстановит свои функциональные возможности. Во втором случае, очевидно, под воздействием помехи произошли необратимые изменения в элементах устройства, в результате чего устройство утратило свои функциональные возможности. Многие виды кондуктивных помех приводят к дополнительному нагреву электрооборудования или его элементов под воздействием повышенного напряжения, токов высших гармоник, токов обратной последовательности. Дополнительный нагрев приводит к нарушению изоляции, разрушению конструктивных элементов электрооборудования и, таким образом, к необратимому нарушению функционирования. Однако эффект от дополнительного нагрева проявляется не сразу, а со временем. Поэтому если воздействие рассматриваемых помех было кратковременным, то после их устранения устройство не утратит своих функциональных возможностей. Таким образом, время воздействия ЭМП также следует отнести, наряду с уровнями, к характеристикам ЭМС. Так, например, нормально допустимые уровни ЭМС электрической сети, ее ПКЭ, могут быть превышены, но не более чем в течение 72 мин за сутки, что составляет 5 % от 24 час. Показатели качества электроэнергии Качество электроэнергии учитывает все аспекты ЭМС, но характеризует только электрическую сеть. Установленные для нее допустимые уровни ЭМС называют показателями качества электроэнергии. Нормативные значения ПКЭ и их перечень установлены ГОСТ 1310997 [16.2], который является ориентиром для разработчиков аппаратуры и электрооборудования, подключаемого к сети, в части их помехоустойчивости, с одной стороны, и уровня вносимых ими помех, с другой. Если уровень помехоустойчивости этих технических средств выше предельно допустимых значений ПКЭ в сети, ЭМС будет обеспечена. Фактические значения ПКЭ должны контролироваться с помощью специализированных средств измерения в условиях эксплуатации, а соответствующие характеристики ЭП — путем необходимых испытаний при их разработке и производстве. Все 11 ПКЭ, которые установлены ГОСТ 13109-97, могут быть условно разделены на три группы. К первой группе можно отнести отклонения частоты и отклонения напряжения, которые связаны с особенностями технологического процесса производства и передачи электроэнергии. Качество регулирования отклонений частоты и напряжения определяет их уровень в электроэнергетической системе. Ко второй группе можно отнести ПКЭ, характеризующие несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрию и колебания напряжения. Источниками этих искажений (эмитентами) являются, главным образом, электроприемники. Для координации ЭМП, вносимых такими ЭП, необходимо применение технических мероприятий как на этапе разработки и производства, так и в процессе их эксплуатации. К третьей группе можно отнести ПКЭ, характеризующие случайные электромагнитные явления и электротехнические процессы, неразрывно связанные с технологическим процессом производства, передачи и потребления электроэнергии. К ним относятся провалы напряжения, перенапряжения и импульсы напряжения, которые возникают в системе электроснабжения в большинстве случаев в результате коммутаций электрооборудования или разрядов молнии на линию электропередачи. Показатели качества электроэнергии первых двух групп нормируются ГОСТ, и на них установлены два допустимых уровня: нормальный и предельный. ПКЭ третьей группы не нормируются, однако статистическая информация о них имеет большое значение для нормальной эксплуатации электроэнергетической системы. Отклонение частоты. Частота ¦ является общесистемным параметром режима ЭЭС и определяется балансом активной мощности. При возникновении дефицита генерируемой мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности. При избытке генерируемой мощности, наоборот, частота повышается. Частота переменного тока в электроэнергетической системе определяется частотой вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц). В каждый момент времени в ЭЭС должно быть обеспечено равенство между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой, с учетом потерь мощности в элементах электроэнергетической системы. Регулирование частоты в ЭЭС возможно только при наличии резерва активной мощности на электростанциях. Ввод резервной активной мощности возможен в ЭЭС за счет дополнительного расхода энергоносителя первичного двигателя (турбины) генератора. Качество электроэнергии по частоте характеризуется отклонением частоты D¦: где ¦ном — номинальное значение частоты, Гц; ¦у — фактическое установившееся (измеренное) значение частоты, Гц. Отклонение напряжения. Напряжение в узлах электроэнергетической системы может быть различным и определяется балансом реактивной мощности в этих узлах. Отличие фактического установившегося напряжения Uу в заданной точке сети от его номинального значения Uном характеризуется отклонением напряжения dUу. Отклонения напряжения, определяемые в процентах от номинального значения, устанавливаются в том или ином узле ЭЭС в зависимости от параметров сети и нагрузки узла: Несинусоидальность напряжения. Значительную долю нагрузки в электрической сети представляют ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такие ЭП потребляют ток, форма которого существенно отличается от синусоидальной. Пример искажения синусоидальной формы кривой и ее гармонических составляющих приведен на рис. 16.5. Протекание несинусоидального тока по элементам электрической сети создает в них падения напряжения, определяемые кривой тока, что и является причиной искажения синусоидальной формы напряжения в той или иной точке (узле) сети. Наиболее распространенными источниками нелинейных искажений являются преобразователи. Колебания напряжения. Несинусоидальность напряжения. Протекание несинусоидального тока по элементам электрической сети создает в них падения напряжения, определяемые кривой тока, что и является причиной искажения синусоидальной формы напряжения в той или иной точке (узле) сети. Наиболее распространенными источниками нелинейных искажений являются преобразователи Несимметрия напряжения. Электроприемники, которые получают питание только от одной или двух фаз трехфазной сети, образуют несимметричную нагрузку. Типичным видом таких ЭП является бытовая аппаратура, освещение. В промышленности — это сварочное оборудование, индукционные печи, тяговые подстанции железнодорожного транспорта, электрифицированного на переменном токе. Суммарная нагрузка отдельных предприятий, а также коммунально-бытовая нагрузка содержат 85—90 % электроприемников, которые становятся причиной несимметрии. Провалы напряжения. К провалам напряжения относится внезапное значительное снижение напряжения (более чем на 10 % от Uном) 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 Временное перенапряжение. По определению, временное перенапряжение — это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или КЗ. Причинами появления кратковременных перенапряжений являются коммутации ненагруженных линий электропередачи, конденсаторных батарей или малонагруженных трансформаторов, подключение или отключение большой нагрузки. Перенапряжения могут иметь периодический или апериодический характер. Их можно разделить на кратковременные, длительные (периодические) и импульсные (апериодические). Импульсные напряжения вызываются грозовыми явлениями, а также переходными процессами при коммутациях в системе электроснабжения. В этой связи различают грозовые и коммутационные импульсы напряжения, которые существенно различаются по своим характеристикам и форме. Импульсное напряжение — это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд. Влияние качества электроэнергии на функционирование технических средств Электроэнергия — особый продукт производства. Особенность ее состоит в том, что в любой момент времени «объем» производства электроэнергии равен «объему» потребления, включая потери. Этот процесс характеризуется балансом мощности, который должен обеспечить заданный режим системы электроснабжения по частоте и напряжению. Отклонение частоты влияет на работу прежде всего вращающихся машин, доля которых в нагрузке системы составляет 50—60 %. Вместе с тем снижение частоты приводит и к снижению частоты вращения электродвигателей и снижению производительности вращаемых ими механизмов. Одновременно со снижением потребляемой активной мощности происходит рост потребляемой реактивной мощности, что способствует снижению напряжения в узлах системы электроснабжения. В статических аппаратах, например в трансформаторах, со снижением частоты возрастает ток намагничивания и, следовательно, растут потери в стали. Если пониженная частота поддерживается в результате ограниченного резерва активной мощности, то при резком и значительном увеличении нагрузки может возникнуть аварийная ситуация, требующая экстренной разгрузки системы с целью восстановления частоты в допустимых для нормальной работы пределах. Эта операция осуществляется средствами автоматической частотной разгрузки (АЧР). Предельным случаем нарушения баланса активной мощности является потеря синхронизма включенных в электроэнергетической системе электростанций или нарушение устойчивой работы системы в целом. Что же касается отклонений напряжения, то они влияют прежде всего на потери электроэнергии и мощности. Эти потери пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Таким образом, превышение допустимых отклонений напряжения в сторону их увеличения приводит к дополнительному нагреву электроприемника и, следовательно, сокращению срока его службы. Снижение напряжения может привести к нарушению функционирования ЭП. Чувствительны к снижению напряжения все ЭП. Так, для асинхронных двигателей (АД) цепочка последствий начинается со снижения электромагнитного момента, что приводит к росту скольжения (снижению числа оборотов) и снижению производительности, сопровождаемому дополнительным нагревом АД. При значительном снижении напряжения затрудняются условия пуска АД, возрастает пусковой ток, увеличивается время разворота АД до номинальной частоты вращения, что, в свою очередь, способствует дополнительному снижению напряжения. Особенно чувствительны к отклонениям напряжения источники освещения. Так, лампы накаливания при dU = -10 % снижают световой поток на 40 %, правда, при этом возрастает срок их службы. Но при dU = +10 % световой поток возрастает тоже на 40 % при сокращении срока службы в 4 раза. Газоразрядные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. В помещениях, оснащенных такими источниками, освещенность снижается на 10—15 % при dU = -(5—7) %, но при dU = -10 % лампы начинают мерцать и при dU = -20 % гаснут. Несмотря на то что отклонения частоты и напряжения являются результатом единого процесса производства и передачи электроэнергии, поддержание их в допустимых пределах возлагается на энергоснабжающую организацию, которая только и располагает средствами регулирования напряжения и частоты. Снижение эффективности функционирования ЭП происходит и при выходе за допустимые пределы ПКЭ, характеризующих несинусоидальность, несимметрию и колебания напряжения. Это проявляется в увеличении потерь мощности и электроэнергии, сокращении срока службы ЭП, увеличении капиталовложений в систему электроснабжения, увеличении потребления реактивной мощности, нарушении технологического процесса производства, отказах аппаратуры, приборов, электрооборудования и т. п. Наиболее значимо это проявляется в увеличении потерь электроэнергии в таких видах электрооборудования, как асинхронные двигатели, синхронные машины, трансформаторы, конденсаторные батареи, осветительные приборы, линии электропередачи [16.3]. 16.4. Технические средства контроля качества электроэнергии К таким средствам относятся приборы для измерения ПКЭ. До настоящего времени парк таких приборов был невелик [16.4]. Одно из основных требований, предъявляемых к приборам, — их сертификация. Это относится и к зарубежным приборам. Сертификация приборов для измерения ПКЭ является компетенцией Госстандарта России. Требования к самим приборам определяются рядом стандартов, одним из которых является ГОСТ 13109-97. Именно этим стандартом определяются номенклатура измеряемых ПКЭ, пределы допустимых погрешностей измерения, алгоритмы измерения, а также процедура контроля при оценке КЭ. При сертификации электроэнергии необходимо контролировать выполнение требований именно этого ГОСТ по всем нормируемым ПКЭ. Согласно ГОСТ измерения должны проводиться 24 ч непрерывно, а оценка КЭ производиться по результатам статистически обработанных измерений. За сутки прибор должен произвести 1440 измерений отклонений напряжения, 4320 измерений отклонений частоты и 28 800 измерений остальных ПКЭ (кроме колебаний напряжения, которые оцениваются на 10минутных интервалах). Такое количество измерений и подлежит статистической обработке, а их интегральные значения — сравнению с нормально и предельно допустимыми значениями за каждые сутки измерений. Очевидно, что такие измерения должны быть автоматизированы, что и достигается применением микропроцессорных программируемых средств измерения. Современные приборы способны в реальном времени измерять и регистрировать в энергонезависимой памяти ПКЭ по напряжению и току, а также мощности по высшим гармоникам и обратным последовательностям. Они предназначены для измерения в трехфазных сетях напряжением 0,4; 6, 10, 35 и 110 кВ и выше. Приборы могут использоваться как для контроля КЭ, так и для определения источника искажения и вносимого им вклада в искажения напряжения, обладают высоким уровнем помехоустойчивости. 16.5. Обеспечение качества электроэнергии Система электроснабжения является электромагнитной средой, по которой распространяются кондуктивные ЭМП, а электроснабжающая организация — субъектом этой системы, поставляющим электроэнергию потребителю, следовательно, в соответствии с Гражданским кодексом РФ (ст. 542) электроснабжающая организация и должна позаботиться об обеспечении КЭ. Какими же правами в этом отношении она располагает, какими механизмами обеспечения КЭ? Энергоснабжающая организация определяет и контролирует технические условия (ТУ) присоединения потребителя к электрической сети. В ТУ особо оговариваются требования к допустимому уровню помех, которые присоединяемый потребитель может вносить в точке его подключения по всем нормируемым ПКЭ. Этот так называемый допустимый вклад потребителя всегда меньше нормативного значения ПКЭ, установленного ГОСТ. Выполнение этого условия должно обязательно контролироваться с помощью измерительных приборов. В дальнейшем аналогичные требования переносятся в договор между энергоснабжающей организацией и потребителем. В договоре первая сторона обязуется поддерживать ПКЭ на уровне, соответствующем ГОСТ 13109-97, при выполнении второй стороной требований по допустимому вкладу. При этом в том, что касается отклонений частоты и напряжения, энергоснабжающая организация всю ответственность берет на себя и ограничений по КЭ перед потребителем не ставит. Потребитель же не имеет права вносить искажения по несинусоидальности, несимметрии и колебаниям напряжения, превышающие установленный для него допустимый вклад. При невыполнении этих условий, т.е. если требования ГОСТ 13109-97 нарушены, виновная сторона несет ответственность, если она предусмотрена договором энергоснабжения. Это может быть реализовано только при контроле КЭ в точке присоединения потребителя и измерении фактического вклада потребителя в сравнении с его допустимым вкладом. В техническом отношении КЭ может быть обеспечено при условии, что энергоснабжающая организация располагает резервом активной мощности, средствами регулирования напряжения, содержит оборудование электрических сетей в соответствии с установленными требованиями, систематически проводит контроль КЭ. Потребитель должен применять исправное оборудование и приборы, оборудование с нормированным уровнем вносимых им помех или использовать специальные средства, позволяющие ограничивать вносимые помехи, и таким образом ограничивать свое влияние на КЭ в точке присоединения.
