Под термином «качество электрической энергии» понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии.
Количественная
Отклонение частоты — разность усредненная за 10 мин. между фактическим значением основной частоты и номинальным её значением. Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы допускается в пределах ±0,1 Гц . Кратковременные отклонения могут достигать ±0,2 Гц .
Колебание частоты — разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения частоты не меньше 0,2 Гц в секунду. Колебания частоты не должны превышать 0,2 Гц сверх допустимых отклонений 0,1 Гц.
Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определённой электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные кондуктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств.
Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ).
Показатели качества электроэнергии
Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97.
|
Наименование ПКЭ |
Наиболее вероятная причина |
|
|
Отклонение напряжения |
||
|
δUy |
установившееся отклонение напряжения |
график нагрузки потребителя |
|
Колебания напряжения |
||
|
δUt |
размах изменения напряжения |
потребитель с резкопеременной нагрузкой |
|
Pt |
доза фликера |
|
|
Несимметрия напряжений в трёхфазной системе |
||
|
K2U |
коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности |
потребитель с несимметричной нагрузкой |
|
K0U |
коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности |
|
|
Несинусоидальность формы кривой напряжения |
||
|
KU |
коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения |
потребитель с нелинейной нагрузкой |
|
KU(n) |
коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения |
|
|
Прочие |
||
|
Δf |
особенности работы сети, климатические условия или природные явления |
|
|
ΔtП |
длительность провала напряжения |
|
|
Uимп |
импульсное напряжение |
|
|
KперU |
коэффициент временного перенапряжения |
|
Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и
Потери напряжения на участке электрической сети (k) определяются выражением:
ΔUk = (Pk·Rk + Qk·Xk) / Uном
Здесь активное (R) и реактивное (X) сопротивление k-го участка сети, практически постоянны, а активная (P) и реактивная (Q) мощность, протекающая по k-му участку сети, переменны и характер этих изменений может быть различным:
- При медленном изменении нагрузки в соответствии с её графиком — отклонение напряжения;
- При резкопеременном характере нагрузки — колебания напряжения;
- При несимметричном
распределении нагрузки по фазам электрической сети — несимметрия напряжений в трёхфазной системе; - При нелинейной нагрузке — несинусоидальность формы кривой напряжения.
В отношении этих явлений потребители электрической
Отклонение напряжения
Отклонение напряжения — отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения.
Отклонение напряжения в той или иной точке сети происходит под воздействием медленного изменения нагрузки в соответствии с её графиком.
Влияние отклонения напряжения на работу электрооборудования:
- Технологические установки:
ü При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.
ü При повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.
ü При значительных отклонениях напряжения происходит срыв
технологического процесса.
- Освещение:
ü Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1·Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.
ü При величине напряжения 0,9·Uном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.
ü При величине напряжения менее 0,9·Uном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8·Uном просто не загораются.
- Электропривод:
ü При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.
ü При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9·Uном срок службы двигателя снижается вдвое.
ü При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3…7 %. Снижается эффективность работы привода и сети.
Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет:
- 10 % специфической нагрузки (например, в Москве это метро — 11%);
- 30 % освещение и прочее;
- 60 % асинхронные электродвигатели.
Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно δUyнор= ± 5 % и δUyпред= ± 10 % номинального напряжения сети. Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.
ΔU = (P·R + Q·X) / UЦП (ТП)
Снижение потерь напряжения (ΔU) достигается:
- Выбором сечения проводников линий электропередач (≡ R) по условиям потерь напряжения.
- Применением продольной емкостной компенсации
реактивного сопротивления линии (X). Однако, это опасно повышением токов короткого замыкания при X→0.
-Компенсацией реактивной мощности (Q) для снижения ее передачи по электросетям, с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения. Кроме снижения потерь напряжения, это является неплохим мероприятием энергосбережения, снижающим общие потери электроэнергии в сетях.
Регулированием напряжения U:
В центре питания регулирование напряжения (UЦП) осуществляется с помощью трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки (регулирование под нагрузкой — РПН).
Такими устройствами оснащены 10 % трансформаторов. Диапазон регулирования ± 16 % с дискретностью 1,78 %. Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях (UТП) с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации (переключение без возбуждения — ПБВ, т.е. с отключением от сети).
Диапазон регулирования ± 5 % с дискретностью 2,5 %. Ответственность за поддержание напряжения в пределах, установленных ГОСТ 13109-97, возлагается на энергоснабжающую организацию. Действительно, первый (R) и второй (X) способы выбираются при проектировании сети и не могут изменяться в дальнейшем. Третий (Q) и пятый (UТП) способы хороши для регулирования при сезонном изменении нагрузки сети, но руководить режимами работы компенсирующего оборудования потребителей, необходимо централизовано, в зависимости от режима работы всей сети, то есть энергоснабжающей организации.
Четвёртый способ — регулирование напряжения в центре питания (UЦП), позволяет энергоснабжающей организации регулировать напряжение в соответствии с графиком нагрузки сети.
ГОСТ 13109-97 устанавливает допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмника. А пределы изменения напряжения в точке присоединения потребителя должны рассчитываться с учетом падения напряжения от этой точки до электроприёмника и указываться в договоре энергоснабжения.
Колебания напряжения
Колебания напряжения — быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд. Колебания напряжения происходят под воздействием быстро изменяющейся нагрузки сети.
Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования:
Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования. Вызывают брак продукции. Способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования. Так, например, колебания амплитуды и, в большей мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателя, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы. А при размахах колебаний более 15 % могут отключаться магнитные пускатели и реле. Не менее опасна вызываемая колебаниями напряжения пульсация светового потока ламп освещения. Её восприятие человеком — фликер — утомляет, снижает производительность труда и, в конечном счёте, влияет на здоровье людей. Доза фликера — мера восприятия человеком пульсаций светового потока. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения δUt = 29 %. Причём, при одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп. Поэтому в ГОСТ 13109-97, размах изменения напряжения (δUt) жёстче нормируется для помещений с лампами накаливания повышенной освещённости, а доза фликера (Pt) для помещений с лампами накаливания, работа в которых требует значительного зрительного напряжения. В качестве вероятного виновника колебаний напряжения ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с переменной нагрузкой.
Мероприятия по снижению колебаний напряжения:
-Применение оборудования с улучшенными характеристиками (снижение ΔQ).
Применение электродвигателей со сниженным пусковым током и улучшенным cos φ при пуске. Или применение частотного регулирования электроприводов, а также устройств плавного пуска-останова двигателя.
- Подключение к мощной системе электроснабжения (увеличение Sкз)
Распространение колебаний напряжения в сторону системы электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Причём, коэффициент затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.
-Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок на разные трансформаторы или секции сборных шин. Размах изменения напряжения δUt на шинах спокойной нагрузки (- Q) снижается на 50…60 %. «Минусы» — возрастают потери при неполной загрузке трансформаторов.
-Снижение сопротивления питающего участка сети. При увеличении сечения проводников линии снижается R, а применение устройств продольной компенсации снижает суммарное X. «Минусы» — увеличиваются капитальные затраты, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания при X→0. На практике не обоснованно, но активно применяют последние два мероприятия.
Несимметрия напряжений
Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений. Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.
Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые. Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85…90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.
Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:
-Рост потерь электроэнергии в сетях, вызванный дополнительными потерями в нулевом проводе. Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения. В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.
