Лекция №12-13 Показатели качества электроэнергии и способы ее обеспечения

 

Нормы качества электрической энергии и область их применения в системах электроснабжения

 

Важной составной частью многогранной проблемы электромагнитной совместимости, под которой понимают совокупность электрических, магнитных и электромагнитных полей, которые генерируют электрообъекты, созданные человеком, и воздействуют на мертвую (физическую) и живую (биологическую) природу, на техническую, информационную, социальную реальности, становится подсистема качества электроэнергии ПКЭ, которая в электрической сети характеризуется показателями качества электроэнергии. Перечень и нормативные (допустимые) значения ПКЭ установлены ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения», введенного с 01.01.1999 взамен существующего ГОСТ 13109-87.

Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприемников. Поэтому, если он работает неудовлетворительно, а в каждом конкретном случае анализ качества потребляемой электроэнергии дает положительные результаты, то виновато качество изготовления или эксплуатации. Если ПКЭ не соответствуют требованиям ГОСТа, то предъявляются претензии к поставщику – энергетическому предприятию. В целом ПКЭ определяют степень искажения напряжения электрической сети в результате кондуктивных помех (распределяющихся по элементам электрической сети), вносимых как энергоснабжающей организацией, так и потребителями.

Снижение качества электроэнергии обусловливает:

- увеличение потерь во всех элементах электрической сети;

- перегрев вращающихся машин, ускоренное старение изоляции, сокра­щение срока службы (в некоторых случаях выход из строя) электрооборудования;

- рост потребления электроэнергии и требуемой мощности электрообору­дования;

- нарушение работы и ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики;

- сбои в работе электронных систем управления, вычислительной техники и специфического оборудования;

- вероятность возникновения однофазных коротких замыканий из-за ус­коренного старения изоляции машин и кабелей с последующим переходом однофазных замыканий в многофазные;

- появление опасных уровней наведенных напряжений на проводах и тро­сах отключенных или строящихся высоковольтных линий электропередач, на­ходящихся вблизи действующих;

- помехи в теле- и радиоаппаратуре, ошибочную работу рентгеновского оборудования;

- неправильную работу счетчиков электрической энергии.

Часть ПКЭ характеризует помехи, вносимые установившимся режимом работы электрооборудования энергоснабжающей организации и потребителей, т. е. вызванные особенностями технологического процесса производства, передачи, распределения потребления электроэнергии. К ним относятся отклонения напряжения и частоты, искажения синусоидальности формы кривой напряжения, несимметрия и колебания напряжения. Для их нормирования установлены допустимые значения ПКЭ.

Другая часть характеризует кратковременные помехи, возникающие в электрической сети в результате коммутационных процессов, грозовых и атмосферных явлений, работы средств защиты и автоматики и послеаварийных режимов. К ним относятся провалы и импульсы напряжения, кратковременные перерывы электроснабжения. Для этих ПКЭ допустимые численные значения ГОСТом не установлены. Однако такие параметры, как амплитуда, длительность, частота и другие, должны измеряться и составлять статистические массивы данных, характеризующие конкретную электрическую сеть в отношении вероятности появления кратковременных помех.

ГОСТ 13109-97 устанавливает показатели и нормы в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения). Нормы применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при установлении уровней помехоустойчивости электроприемников и уровней кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приемниками. Установлено два вида норм: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия нормам проводится в течение расчетного периода, равного 24 часам.

Качество электроэнергии характеризуется параметрами (частоты и напряжения) в узлах присоединений уровней системы электроснабжения.

Частота - общесистемный параметр определяется балансом активной мощности в системе. При возникновении дефицита активной мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс вырабатываемой и потребляемой электроэнергии. При этом снижение частоты связано с уменьшением скорости вращения электрических машин и уменьшением их кинетической энергии. Освобождающаяся при этом кинетическая энергия используется для поддержания частоты. Поэтому частота в системе меняется сравнительно медленно. Однако при дефиците активной мощности (более 30%) частота меняется быстро и возникает эффект «мгновенного» изменения частоты - «лавина частоты». Изменение частоты со скоростью более 0,2 Гц в секунду принято называть колебаниями частоты.

Напряжение в узле электроэнергетической системы определяется балансом реактивной мощности по системе в целом и балансом реактивной мощности в узле электрической сети. Устанавливается 11 показателей качества электроэнергии:

1) установившееся отклонение напряжения δU_у;

2) размах изменения напряжения δU_t;

3) доза фликера Р_t;

4) коэффициент искажения синусоидальности кривой междуфазного (фазного) напряжения К _U;

5) коэффициент n- й гармонической составляющей напряжения К _{U( n)};

6) коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U;

7) коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К_0U;

8) отклонения частоты Δf;

9) длительность провала напряжения Δt_п;

10) импульсное напряжение U_имп;

11) коэффициент временного перенапряжения K_{пер U}.

Не на все ПКЭ стандартом установлены нормы. Так, установившееся отклонение напряжения (под этим термином понимается среднее за 1 мин отклонение, хотя процесс изменения действующего значения напряжения в течение этой минуты может быть совсем неустановившимся) нормируется только в сетях 380/220 В, а в точках сетей более высокого напряжения его следует рассчитывать. Для провалов напряжения установлена лишь предельно допустимая длительность каждого (30 с) в сетях напряжением до 20 кВ и представлены статистические данные об относительной дозе провалов разной глубины в общем числе провалов, но не приводятся статистические данные о их числе за единицу времени (неделю, месяц и т. п.). По импульсным напряжениям и временным перенапряжениям нормы не установлены, но дана справочная информация о возможных их значениях в сетях энергоснабжающих организаций.

При определении значений некоторых показателей КЭ используют следующие вспомогательные параметры электрической энергии:

- частоту повторения изменений напряжения F_δUt;

- интервал между изменениями напряжения Δt_i,i+1;

- глубину провала напряжения δU _п,

- частость появления провалов напряжения F _п;

- длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды Δt_{имп 0,5};

- длительность временного перенапряжения Δt_{пер U}.

На все ПКЭ, численные значения норм на которые есть в стандарте, договорно запускается механизм штрафных санкций, формируемый на шесть ПКЭ из 11 перечисленных: отклонение частоты; отклонение напряжения; доза фликера; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности; коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Ответственность за недопустимые отклонения частоты безусловно лежит на энергоснабжающей организации. За недопустимые отклонения напряжения энергоснабжающая организация несет ответственность в случае, если потребитель не нарушает технических условий потребления и генерации реактивной мощности. Ответственность за нарушение норм по четырем остальным (ПКЭ с определяемой ответственностью) возлагается на виновника, определяемого на основе сопоставления включенного в договор допустимого вклада в значение рассматриваемого ПКЭ в точке учета электроэнергии с фактическим вкладом, вычисляемым на основе измерений. Если допустимые вклады в договоре не указаны, энергоснабжающая организация несет ответственность за низкое качество, независимо от виновника его ухудшения.

 

Отклонения и колебание напряжения

 

Отклонения напряжения характеризуются показателем установившегося отклонения напряжения δU_y, %. Нормально допустимые и предельно допустимые значения δU_y на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 % и ±10 % от начального (номинального) напряжения электрической сети. Допустимые значения δU_y в точках общего присоединения потребителей напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией.

Измерение установившегося отклонения напряжения δU_y осуществляется для каждого i-го наблюдения за период времени, равный 24 ч. Измеряют значение напряжения, которое в электрических сетях однофазного тока определяют как действующее значение напряжения основной частоты U_(1)i без учета высших гармонических составляющих напряжения, а в электрических сетях трехфазного тока - как действующее значение каждого межфазного (фазного) напряжения основной частоты U_(1)i, а также как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U_1(1)i.

Затем вычисляют значение усредненного напряжения U_у как результат усреднения N наблюдений напряжений U _{(1) i} или U _{1(1) i} за интервал времени 1 мин. по формуле

                                       (12.3)

где U_i - значение напряжения U_{(1) i} или U_{1(1) i} в i-м наблюдении, кВ (число наблюдений за 1 мин должно быть не менее 18).

Окончательное значение установившегося отклонения напряжения δU_y (%):

                               (12.4)

где U _ном - номинальное межфазное (фазное) напряжение.

Качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжения в точке общего присоединения к электрической сети считают соответствующим требованиям, если все измеренные за каждую минуту в течение установленного периода времени (24 ч) значения установившегося отклонения напряжения находятся в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями, и не менее 95 % измеренных за тот же период времени значений находятся в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода за нормально и предельно допустимые пределы. При этом качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжений считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т. е. 1ч 12 мин, а за предельно допустимые значения - 0% от этого периода времени.

Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения δU_t, % и дозой фликера P_t, отн. ед.

 

 

Рис. 12.1. Колебания напряжения произвольной формы (а) и имеющие форму меандра (б)

Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения δ U _у и размаха изменений напряжения δ U_t в точках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10% от номинального напряжения.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера P_st при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,38, а для длительной дозы фликера Р _Lt при тех же колебаниях напряжения равно 1,0. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера P_st у потребителей, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,0, а для длительной дозы фликера Р_Lt в этих же точках - 0,74.

 

Несинусоидальность и несимметрия напряжения

 

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, К_U (%), и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения К_U(n) (%).

Нормально и предельно допустимые значения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения приведены ниже:

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле

где К_U(n)норм - нормально допустимое значение коэффициента n -й гармонической составляющей напряжения.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности К_{2 U} (%) и коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности К_0U (%). Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точке общего подключения к электрическим сетям равны соответственно 2,0 и 4,0 %. Эти же значения имеют место по нулевой последовательности в четырехпроводных электрических сетях с номинальным напряжением 0,38 кВ.

 

Отклонения частоты, провал и импульс напряжения. Временное напряжение

 

Отклонение частоты напряжения

Отклонения частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуются показателем отклонения частоты (Δf, %), для которого нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны и ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно.

Провал напряжения

Провал напряжения характеризуется показателем длительности провала напряжения Δf_n (%), предельно допустимое значение которого в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики.

Рис. 12.5. Иллюстрация провала напряжения (а) и осциллограмма провала напряжения с переходом напряжения с переходом напряжения на новый уровень и возвращением на предшествующий или близкий к нему уровень скачком с высокочастотными составляющими (б)

Импульс напряжения

Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения, U_имп, кВ. Расчетные значения грозовых и коммутационных импульсных напряжений в точках присоединения электрической сети общего назначения приводятся для фазных номинальных напряжений сети.

Формы и значения импульсных напряжений зависят от напряжения сети, места расположения точек присоединения, конструктивных и электрических параметров воздушных и кабельных ЛЭП. Значения грозовых импульсных напряжений с вероятностью 90 % не превышают 10 кВ в воздушной сети напряжением 0,38 кВ и 6 кВ - во внутренней проводке зданий и сооружений. Форма для точек присоединения, проходящих через выводы силового трансформатора, обмотка которого имеет связь с BЛ и для точек присоединения ВЛ - РП высокого напряжения приведена на рис. 12.6.

Значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1000-5000 мкс приведены ниже:

Вероятность превышения указанных значений коммутационных импульсных напряжений составляет не более 5 %, а значений грозовых импульсных напряжений - не более 10 % для воздушных линий с металлическими и железобетонными опорами и 20 % - для воздушных линий с деревянными опорами.

Рис. 12.7. Параметры импульсного напряжения

 

Временное перенапряжение

Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения, K_{nep U}.

Значения импульсных напряжений для грозовых и коммутационных импульсов, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации приведены ниже:

Δt_{nep U}, с                             До 1      До 20              До60

K_{nep U}, о.е.                          1,47       1,31       1,15

Значения коэффициента в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений Δt_{пер u} не превышают приведенных значений. В среднем за год возможно около 30 временных перенапряжений.

 

 

Рис. 21.8. Временное перенапряжение

 

Причины и источники нарушения показателей качества электрической энергии

 

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузок, появление новых электротехнических установок сделали искаженные режимы характерной и неотъемлемой чертой работы современной системы электроснабжения. При этом нарушение ГОСТ 13109-97 возможно как со стороны энергоснабжающей организации (установившееся отклонение напряжения δU_у; отклонение частоты Δf; длительность провала напряжения Δf_п; импульсное напряжение U_имп; коэффициент временного перенапряжения K_{пер U} так и по вине потребителей.

Причиной, вызывающей несинусоидальность, несимметрию, колебания и отклонения напряжения, является тот или иной вид электроприемника, определяемого технологическим процессом (производством). Отклонения напряжения вызывает изменение нагрузки любого производства. Предприятия с мощными сварочными устройствами порождают также колебания, несимметрию напряжения; дуговые сталеплавильные печи - еще и несинусоидальность; при электролизе в цветной металлургии имеют место колебания, несинусоидальность; при однофазной нагрузке - несимметрия; при работе тяговых подстанций - несинусоидальность и несимметрия напряжений.

Помимо искажений в установившихся режимах работы существуют про­мышленные источники искажений напряжения, создающие помехи в пусковых режимах или при регулировании. Высшие гармоники порождают при пуске и торможении электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью, преобразователи при рекуперативном торможении. Трансформаторы при включении и отключении вызывают кратковременные перенапряжения.

Источниками колебаний напряжения в современных электрических системах служат мощные электроприемники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощностей. Для них характерны: питание от шин напряжением 35-220 кВ; значительные изменения потребляемой активной Р и реактивной Q мощности, равной (10-130) % Р, с высокой скоростью в течение суток; наличие у токоприемников нелинейных элементов.

К таким электроприемникам относятся в приоритетном порядке по степени воздействия на этот ПКЭ: дуговые сталеплавильные печи; руднотермические печи; электродвигатели большой мощности (в частности, прокатных станов); индукционные печи; машины контактной сварки; преобразователи электролизных установок; синхронные двигатели; приводы насосов и компрессоров в распределительных сетях.

Источниками гармонических искажений служат в основном нагрузки с нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; вентильные преобразователи; трансформаторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками; преобразователи частоты; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы.

Существенное влияние на работу электрооборудования, в первую очередь на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений. При коэффициенте обратной последовательности напряжений, равном 4%, срок службы электродвигателей сокращается примерно в два раза.