Качество электрической энергии

Качество электрической энергии

Общие положения

Повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, так как качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения (СЭС), технологический процесс производства.

Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определёнными показателями, позволяющими судить о её пригодности в различных производственных процессах.

Совокупности показателей свойств электроэнергии, численно характеризующих напряжение в СЭС по частоте, действующему значению, форме кривой, симметрии и импульсным помехам, и определяющих воздействие на элементы сети, называют качеством электрической энергии.

Перечень показателей качества электрической энергии (ПКЭ), их нормативные значения, критерии оценки и методы измерений установлены ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». ГОСТ является межгосударственным стандартом, действующим в рамках СНГ. В международной практике ПКЭ оцениваются с позиций электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Под ЭМС понимают способность электрооборудования, аппаратов и приборов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не подвергаясь воздействию электромагнитных помех и не внося таковых в среду.

Выделяют следующие вопросы при решении задачи повышения качества электроэнергии:

- экономические вопросы включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения;

- математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчёта показателей качества электроэнергии;

- технические аспекты включают в себя разработку технических средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также организацию системы контроля и управления качеством.

Номенклатура ПКЭ, установленная ГОСТ 13109-97, включает следующие показатели:

- установившееся отклонение напряжения , %;

- размах изменения напряжения , %;

- доза фликера , отн. ед.;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения , %;

- коэффициент -ой гармонической составляющей напряжения , %;

- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности , %;

- коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности , %;

- отклонение частоты , Гц;

- длительность провала напряжения , с;

- коэффициент временного перенапряжения , отн. ед.;

- импульсное напряжение , кВ.

ПКЭ разделяют на нормируемые и ненормируемые. К нормируемым относятся: , , , , , , , , . К не нормируемым ПКЭ относятся , . Провалы напряжения нормируются только по длительности, по глубине не нормируются.

На нормируемые ПКЭ установлены нормально и предельно допустимые значения. Для дозы фликера, размахов изменения напряжения и длительности провалов напряжения установлены только предельно допустимые значения.

Для и нормально и предельные значения установлены в зависимости от номинального напряжения сети: 0,38; 6-20; 35; 110-330 кВ.

Кроме того, ГОСТ 13109-97 установлена номенклатура вспомогательных параметров электрической энергии, которые используются при определении значений некоторых ПКЭ. Вспомогательные параметры не нормируются. К ним относятся:

- для оценки колебаний напряжения − частота повторений изменений напряжения и интервал между изменениями напряжения ;

- для оценки провалов напряжения − глубина провала напряжения и частость появления провалов напряжения ;

- для оценки импульсов напряжения − длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ;

- для оценки перенапряжений − длительность временного перенапряжения.

Такие ПКЭ, как , , , , , , , , применяют для характеристики стационарных процессов в СЭС, а такие, как провалы напряжения, временные перенапряжения, импульсы, − для характеристик кратковременных процессов, возникающих в сети в результате коммутаций, атмосферных перенапряжений.

В соответствии с ГОСТ 13109-97 показателями качества у приёмников электроэнергии приняты следующие:

- При питании от электрических сетей однофазного тока: отклонение частоты; отклонение напряжения; размах колебании частоты; размах изменения напряжения; коэффициент несинусоидальности напряжения.

- При питании от электрических сетей трёхфазного тока: отклонение частоты; отклонение напряжения; размах колебании частоты; размах изменения напряжения; коэффициент несинусоидальности напряжения; коэффициент несимметрии напряжении; коэффициент неуравновешенности напряжений.

- При питании от электрических сетей постоянного тока: отклонение напряжения; размах изменения напряжения; коэффициент пульсации напряжения.

Значения показателей качества электроэнергии должны находиться в допустимых пределах с интегральной вероятностью 0,95 за установленный период времени.

Для анализа качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных предприятий предусматривают их контроль со следующей периодичностью измерений:

1) при контроле отклонений напряжения:

а) для предприятий с пятидневной рабочей неделей и узлов энергосистем − не менее одних рабочих и одних нерабочих суток;

б) для предприятий с непрерывным производством − не менее одних суток;

в) во всех остальных случаях − не менее двух рабочих и одних нерабочих суток.

2) при контроле коэффициента несинусоидальности напряжения, размаха изменения напряжения, размаха колебаний частоты:

а) в электрических сетях с электродуговыми и сталеплавильными печами − в течение 30мин в период наибольших нагрузок (период расплавки металла);

б) в электрических сетях с установками электродуговой и контактной сварки − в течение 30мин;

в) в электрических сетях с обжимными прокатными станами − в течение 10-12 циклов прокатки;

г) в электрических сетях жилых и общественных здании − в течение 1 ч в период возникновения наибольших колебаний напряжения;

д) во всех остальных случаях − в течение одних суток.

3) при контроле коэффициента несимметрии напряжений:

а) в сетях с однофазными электропечами, работающими в «спокойном» режиме (печи сопротивления, электрошлакового переплава и др.) − в течение 1 ч в период наибольших нагрузок;

б) в сетях с однофазными нагрузками, работающими в резкопеременном режиме (электродуговые сталеплавильные печи, тяговые нагрузки, электродуговая и контактная электросварка и т.д.) − в течение 1ч в период наибольших нагрузок;

в) во всех остальных случаях − в течение одних суток.

4) при контроле коэффициента неуравновешенности напряжений − в течение одних суток.

5) при контроле коэффициента пульсации выпрямленного напряжения − в течение 30 мин.

6) контроль за отклонением частоты должен быть постоянным.

Качество электроэнергии можно улучшить средствами питающей сети или применением соответствующего дополнительного оборудования на основе имеющегося опыта проектных и эксплуатационных организаций.

Часть решений, в основном обусловленных техническими требованиями, является общей и должна приниматься на основе имеющихся указаний. В других случаях учитывают специфику конкретных условий (наличие крупных ударных нагрузок может считаться особенностью предприятий).

Отклонения напряжения

Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения − фазного или линейного в зависимости от схемы включения потребителей. Отклонения напряжения вызывают наибольший ущерб. Основными причинами отклонений напряжения в СЭС промышленных предприятий являются изменения режимов работы электроприёмников, изменения режимов питающей энергосистемы.

В пределах одной ступени трансформации значение напряжения сети изменяется в относительно небольших пределах, поэтому с целью упрощения расчётов и достижения большей наглядности на практике пользуются понятием отклонения напряжения.

Под отклонением напряжения ( ) понимают разность между фактическим (действительным) значением напряжения ( ) и его номинальным значением ( ) для данной сети:

. (1)

Если выражается в процентах от , а и − в вольтах (киловольтах), то:

. (2)

Вычисляют значения усреднённого напряжения как результат N наблюдений основной частоты или основной частоты и прямой последовательности за интервал времени 1 мин:

. (3)

Число наблюдений за 1 мин должно быть не менее 18.

В России согласно ГОСТ 13109-97 в условиях нормальной работы приёмников электроэнергии отклонение напряжения от номинального значения допускаются в следующих пределах:

а) на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления;

б) на зажимах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения;

в) на зажимах остальных приёмников электроэнергии, в том числе приёмников электроэнергии животноводческих комплексов и птицефабрик, допускают отклонения напряжения в пределах 5 % номинального;

г) в электрических сетях сельскохозяйственных районов, кроме животноводческих комплексов и птицефабрик, и в сетях, питающихся от шин тяговых подстанций электрифицированного транспорта, при наличии специальных технико-экономических обоснований с разрешения Министерства энергетики и электрификации допускаются другие значения отклонений напряжения.

В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5 %.

Колебания напряжения

Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения и дозой фликера, к которым относятся динамично изменяющиеся огибающие действующего (амплитудного) значения напряжения в результате изменений резкопеременной нагрузки.

Размах изменения напряжения

Размах изменения напряжения − это разница между значениями следующих один за другим экстремумов огибающей напряжения основной частоты, определённых на каждом полупериоде, выраженная в процентах от :

.

На рис. 1 приведён пример колебаний напряжения, иллюстрирующие размах и интервал между смежными колебаниями .

Рис. 1. Размах напряжения с интервалом

Частоту повторения изменений напряжения при периодических колебаниях напряжения вычисляют по формуле:

, (9.4)

где − количество изменений напряжения со скоростью более 1% в секунду за время T; T − интервал времени измерения, принимаемый равным 10 мин.

Допустимые значения размахов изменений напряжения на зажимах ламп накаливания определяют по кривым, представленным в справочной литературе, в зависимости от частоты их повторения или интервала между следующими друг за другом изменениями напряжения.

Доза фликера

Введение ограничений на размахи изменений напряжения для источников света вызвано условиями охраны труда. При быстром изменении напряжения наблюдается резкое изменение светового потока, что приводит к зрительной утомляемости людей, снижению производительности труда.

Фликер (от англ. flicker − мерцание) − это субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети.

Доза фликера − мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.

Различают кратковременную ( , для интервала 10 мин) и длительную ( , для интервала 120 мин) дозу фликера. Индексы « » и « » от англ. short time − кратковременная и long time − длительная соответственно.

Кратковременную и длительную дозу фликера определяют с помощью фликерметра. Кроме того, длительную дозу фликера можно рассчитать по формуле:

, (9.5)

где − кратковременная доза фликера на k-м интервале времени в течение периода наблюдения .

Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений и токов трёхфазной системы является одним из важнейших показателей качества электроэнергии. Причиной появления несимметрии напряжений и токов являются различные несимметричные режимы системы электроснабжения. Широкое применение различного рода однофазных электротермических установок значительной мощности (до 10 МВт) и трёхфазных дуговых печей также привело к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок на промышленных предприятиях. Подключение таких мощных несимметричных одно- и трёхфазных нагрузок к трёхфазным сетям вызывает в системах электроснабжения длительный несимметричный режим, который характеризуется несимметрией напряжений и токов.

В системах электроснабжения различают кратковременные (аварийные) и длительные (эксплуатационные) несимметрические режимы. Кратковременные несимметричные режимы обычно связаны с различными аварийными процессами, как, например, несимметричные КЗ, обрывы одного или двух проводов воздушной линии с замыканием на землю и т.д. Длительные несимметричные режимы обычно обусловлены несимметрией элементов электрической сети или подключением к системе электроснабжения несимметричных (одно-, двух- или трёхфазных) нагрузок.

Несимметрию напряжений и токов, обусловленную несимметрией элементов электрической сети, называют продольной. Примером продольной несимметрии являются неполнофазные режимы воздушных линий и несимметрия параметров фаз отдельных элементов сети. Продольная несимметрия характерна также для специальных систем электропередачи: два провода – земля (ДПЗ), два провода − рельсы (ДПР), два провода − труба (ДПР) и т.д.

Несимметрию напряжений и токов, вызванную подключением к сети многофазных и однофазных несимметричных нагрузок, называют поперечной. Поперечная несимметрия возникает также при неравенстве активных и реактивных сопротивлений отдельных фаз некоторых приёмников электроэнергии (дуговые электропечи).

Для анализа и расчётов несимметричных режимов в трёхфазных цепях в основном применяют метод симметричных составляющих, основанный на представлении любой трехфазной несимметричной системы величин (токов, напряжении, магнитных потоков) в виде суммы в общем случае трёх симметричных систем величин. Эти симметричные системы, которые в совокупности образуют несимметричную систему величин, называют её симметричными составляющими. Симметричные составляющие отличаются друг от друга порядком следования фаз, т.е. порядком, в котором фазные величины проходят через максимум, и называются системами прямой, обратной и нулевой последовательности.

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием составляющих обратной последовательности, а несимметрия фазных − ещё и наличием составляющих нулевой последовательности.

Несимметрия напряжения характеризуется двумя показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжения обратной последовательности ;

- коэффициентом несимметрии напряжения нулевой последовательности .

Вычисляют коэффициент несимметрии напряжения обратной последовательности , %, как результат i-го наблюдения, по следующему выражению:

, (17)

где − действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений в i-м наблюдении, В; − действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты в i-м наблюдении, В.

Вычисляют значение коэффициента несимметрии напряжения , %, как результат усреднения N наблюдений на интервале времени равном 3 с, по формуле:

(18)

Число наблюдений .

Коэффициент несимметрии токов определяют аналогично .

Несимметрия по току значительно превышает несимметрию по напряжению. В линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия тока снижает пропускную способность за счёт неравномерной загрузки фаз.

В практических расчётах коэффициент обратной последовательности в рассматриваемой точке сети возможно использование следующей формулы:

, (19)

где − размах изменения напряжения; − напряжение первой последовательности; ; ; − суммарные потери мощности соответствующих однофазных нагрузок; − аргумента тока и напряжения коэффициента обратной последовательности (определяются по справочным таблицам).

Токи прямой и обратной последовательности определяют по выражениям:

; (20)

, (21)

где ; − мощности несимметричной нагрузки.

При наличии составляющих нулевой последовательности происходит смещение нейтрали трёхфазной системы, которое характеризуется коэффициентом неуравновешенности напряжений.

Вычисляют коэффициент несимметрии напряжения нулевой последовательности (коэффициентом неуравновешенности) , %, как результат i-го наблюдения, по следующему выражению:

, (22)

где − действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений в i-м наблюдении, В; − действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты в i-м наблюдении, В.

Вычисляют значение коэффициента несимметрии напряжения , %, как результат усреднения N наблюдений по формуле:

(23)

Число наблюдений .

Коэффициент нулевой последовательности не нормируется, т.к. не оказывает влияния на трёхфазных потребителей.

Симметричные составляющие напряжений прямой , обратной и нулевой последовательностей определяют по известным соотношениям для симметричных составляющих прямой:

; (24)

; (25)

, (26)

где − фазные напряжения сети; − комплексное число, называемое фазным множителем; .

Например, в асинхронных двигателях (АД) несимметрия напряжения вызывает противодействующий вращающий момент, что в свою очередь влечёт за собой полезный момент двигателя. Снижение полезного момента равно квадрату коэффициента несимметрии, т.е.

(27)

В АД сопротивление обратной последовательности в 5–7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, поэтому даже при небольшом напряжении обратной последовательности возникает значительный ток, обуславливающий быстрое старение изоляции обмоток. В среднем при срок службы АД сокращается в 2 раза.

Коэффициент несимметрии является нормативным показателем качества электроэнергии. В соответствии с ГОСТ 13109-97 нормально длительно допустим на зажимах любого трёхфазного симметричного приёмника электроэнергии. Предельно допустимое значение составляет 4%.

Импульс напряжения

Импульс напряжения − это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени за несколько миллисекунд.

Причины импульсов напряжения − грозовые разряды, коммутации в системе электроснабжения.

Импульс напряжения характеризуется импульсным напряжением (амплитудой импульсного напряжения ) и длительностью и (рис. 4).

Амплитуда импульсного напряжения − это максимальное значение напряжения при резком его изменении (длительность фронта импульса не более 5 мс).

Длительность импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды, , мкс или мс, (см. рис. 4) вычисляют по формуле:

, (29)

где и − моменты времени, соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведённой на половине амплитуды импульса.

Данный показатель ограничивается после специально проведённых исследований для каждого объекта индивидуально.

Рис. 4. Параметры импульсного напряжения ( − амплитудное значение напряжения)

Качество электрической энергии

Общие положения

Повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, так как качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения (СЭС), технологический процесс производства.

Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определёнными показателями, позволяющими судить о её пригодности в различных производственных процессах.

Совокупности показателей свойств электроэнергии, численно характеризующих напряжение в СЭС по частоте, действующему значению, форме кривой, симметрии и импульсным помехам, и определяющих воздействие на элементы сети, называют качеством электрической энергии.

Перечень показателей качества электрической энергии (ПКЭ), их нормативные значения, критерии оценки и методы измерений установлены ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». ГОСТ является межгосударственным стандартом, действующим в рамках СНГ. В международной практике ПКЭ оцениваются с позиций электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Под ЭМС понимают способность электрооборудования, аппаратов и приборов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не подвергаясь воздействию электромагнитных помех и не внося таковых в среду.

Выделяют следующие вопросы при решении задачи повышения качества электроэнергии:

- экономические вопросы включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения;

- математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчёта показателей качества электроэнергии;

- технические аспекты включают в себя разработку технических средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также организацию системы контроля и управления качеством.

Номенклатура ПКЭ, установленная ГОСТ 13109-97, включает следующие показатели:

- установившееся отклонение напряжения , %;

- размах изменения напряжения , %;

- доза фликера , отн. ед.;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения , %;

- коэффициент -ой гармонической составляющей напряжения , %;

- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности , %;

- коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности , %;

- отклонение частоты , Гц;

- длительность провала напряжения , с;

- коэффициент временного перенапряжения , отн. ед.;

- импульсное напряжение , кВ.

ПКЭ разделяют на нормируемые и ненормируемые. К нормируемым относятся: , , , , , , , , . К не нормируемым ПКЭ относятся , . Провалы напряжения нормируются только по длительности, по глубине не нормируются.

На нормируемые ПКЭ установлены нормально и предельно допустимые значения. Для дозы фликера, размахов изменения напряжения и длительности провалов напряжения установлены только предельно допустимые значения.

Для и нормально и предельные значения установлены в зависимости от номинального напряжения сети: 0,38; 6-20; 35; 110-330 кВ.

Кроме того, ГОСТ 13109-97 установлена номенклатура вспомогательных параметров электрической энергии, которые используются при определении значений некоторых ПКЭ. Вспомогательные параметры не нормируются. К ним относятся:

- для оценки колебаний напряжения − частота повторений изменений напряжения и интервал между изменениями напряжения ;

- для оценки провалов напряжения − глубина провала напряжения и частость появления провалов напряжения ;

- для оценки импульсов напряжения − длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ;

- для оценки перенапряжений − длительность временного перенапряжения.

Такие ПКЭ, как , , , , , , , , применяют для характеристики стационарных процессов в СЭС, а такие, как провалы напряжения, временные перенапряжения, импульсы, − для характеристик кратковременных процессов, возникающих в сети в результате коммутаций, атмосферных перенапряжений.

В соответствии с ГОСТ 13109-97 показателями качества у приёмников электроэнергии приняты следующие:

- При питании от электрических сетей однофазного тока: отклонение частоты; отклонение напряжения; размах колебании частоты; размах изменения напряжения; коэффициент несинусоидальности напряжения.

- При питании от электрических сетей трёхфазного тока: отклонение частоты; отклонение напряжения; размах колебании частоты; размах изменения напряжения; коэффициент несинусоидальности напряжения; коэффициент несимметрии напряжении; коэффициент неуравновешенности напряжений.

- При питании от электрических сетей постоянного тока: отклонение напряжения; размах изменения напряжения; коэффициент пульсации напряжения.

Значения показателей качества электроэнергии должны находиться в допустимых пределах с интегральной вероятностью 0,95 за установленный период времени.

Для анализа качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных предприятий предусматривают их контроль со следующей периодичностью измерений:

1) при контроле отклонений напряжения:

а) для предприятий с пятидневной рабочей неделей и узлов энергосистем − не менее одних рабочих и одних нерабочих суток;

б) для предприятий с непрерывным производством − не менее одних суток;

в) во всех остальных случаях − не менее двух рабочих и одних нерабочих суток.

2) при контроле коэффициента несинусоидальности напряжения, размаха изменения напряжения, размаха колебаний частоты:

а) в электрических сетях с электродуговыми и сталеплавильными печами − в течение 30мин в период наибольших нагрузок (период расплавки металла);

б) в электрических сетях с установками электродуговой и контактной сварки − в течение 30мин;

в) в электрических сетях с обжимными прокатными станами − в течение 10-12 циклов прокатки;

г) в электрических сетях жилых и общественных здании − в течение 1 ч в период возникновения наибольших колебаний напряжения;

д) во всех остальных случаях − в течение одних суток.

3) при контроле коэффициента несимметрии напряжений:

а) в сетях с однофазными электропечами, работающими в «спокойном» режиме (печи сопротивления, электрошлакового переплава и др.) − в течение 1 ч в период наибольших нагрузок;

б) в сетях с однофазными нагрузками, работающими в резкопеременном режиме (электродуговые сталеплавильные печи, тяговые нагрузки, электродуговая и контактная электросварка и т.д.) − в течение 1ч в период наибольших нагрузок;

в) во всех остальных случаях − в течение одних суток.

4) при контроле коэффициента неуравновешенности напряжений − в течение одних суток.

5) при контроле коэффициента пульсации выпрямленного напряжения − в течение 30 мин.

6) контроль за отклонением частоты должен быть постоянным.

Качество электроэнергии можно улучшить средствами питающей сети или применением соответствующего дополнительного оборудования на основе имеющегося опыта проектных и эксплуатационных организаций.

Часть решений, в основном обусловленных техническими требованиями, является общей и должна приниматься на основе имеющихся указаний. В других случаях учитывают специфику конкретных условий (наличие крупных ударных нагрузок может считаться особенностью предприятий).

Отклонения напряжения

Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения − фазного или линейного в зависимости от схемы включения потребителей. Отклонения напряжения вызывают наибольший ущерб. Основными причинами отклонений напряжения в СЭС промышленных предприятий являются изменения режимов работы электроприёмников, изменения режимов питающей энергосистемы.

В пределах одной ступени трансформации значение напряжения сети изменяется в относительно небольших пределах, поэтому с целью упрощения расчётов и достижения большей наглядности на практике пользуются понятием отклонения напряжения.

Под отклонением напряжения ( ) понимают разность между фактическим (действительным) значением напряжения ( ) и его номинальным значением ( ) для данной сети:

. (1)

Если