Кто влияет на качество электрической энергии. Ухудшение показателей качества электроэнергии, источники нарушений, методы уменьшения. Влияние несинусоидальности напряжения на индукционные и электронные приборы учета электроэнергии, потребляемой электровозо

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, отклонение частоты; длительность провала напряжения; импульсное напряжение; коэффициент временного перенапряжения, так и со стороны потребителей.

Потребитель с переменной нагрузкой может нарушить стандарт по размаху изменения 8 U, и дозе фликера с нелинейной — по коэффициенту искажения синусоидальности кривой Ки и коэффициенту гармонической составляющей с несимметричной — по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности и коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности Кои.

Показатели отклонения частоты и зависят от баланса активной и реактивной мощностей в энергосистеме, поэтому поддержание их возлагается на энергоснабжающие организации, сети которых являются виновником провалов напряжения, импульсов и кратковременных перенапряжений. Провал — неизбежное явление для сети любого — приводит к мгновенным последствиям, тем более значимым, чем больше их глубина и длительность.

Причиной, вызывающей несинусоидальность, несимметрию, колебания и отклонения напряжения, является тот или иной вид электроприемника, определяемого технологическим процессом (производством). Отклонение вызывает изменение нагрузки любого производства. Предприятия с мощными сварочными устройствами порождают и колебания, несимметрию напряжения; дуговые сталеплавильные печи — еще и несинусоидальность; электролиз цветной металлургии — колебания, несинусоидальность; однофазная нагрузка — несимметрию; тяговые подстанции — несинусоидальность и несимметрию напряжений.

Мы рассмотрели искажения в установившихся режимах работы. Но 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.

Потребитель может быть источником искажений по нескольким ПКЭ. Количество и местоположение источников в схеме известно приблизительно, а уровень вносимых ими искажений практически неизвестен. Искажающие токи растекаются по сетям в зависимости от схемы сети, ее частотных характеристик и т. п. Токи суммируется в узлах, поэтому искажение определяется действием нескольких виновников.

Если рассматривать все точки (узлы), где следует выдерживать (и проверять) ПКЭ, то налицо объект с ценологическими свойствами. Но существующая теория расчета ПКЭ основана на нормальном распределении. Сложившееся положение аналогично положению с расчетом электрических нагрузок в 50—60е гг. XX в., когда полагали, что вероятностный гауссов подход решит проблему нагрузок. Очевидно, что существует большая область теории и практики, важнейшая при использовании электроэнергии, требующая новых представлений.

Для обеспечения требований, предъявляемых к качеству потребителями, значения напряжений в каждой точке электрической сети должны находиться в определенных допустимых пределах. Практически без специальных регулирующих устройств допустимый режим напряжений может быть обеспечен только в том случае, когда суммарные потери невелики. Это может быть только в сетях небольшой протяженности и с малым числом промежуточных трансформаций.

В распределительных электрических сетях отклонения обычно определяются для характерных точек — наиболее чувствительных к отклонению потребителей и наиболее удаленных от трансформаторных подстанций точек подключения электроприемников. В фиксированный момент времени для любой точки радиальной сети величина bU определяется выражением

Размахи изменения напряжения, следующие друг за другом, создают колебания 5Ut. Нормирование колебаний производится по степени воздействия на зрение человека. Процесс зрительного восприятия колебаний (фликера) начинается с верхнего предела частоты колебаний порядка 35 Гц при изменениях менее 10 %. Наиболее раздражающее действие мигания света наступает у человека при частоте, равной 8,8 Гц, при определенной величине размаха U. Длительность воздействия колебаний при этом составляет 10 мин. С точки зрения фликера лампы накаливания являются нагрузками, наиболее чувствительными к величине изменения напряжения.

Источниками колебаний в современных электрических системах являются мощные электроприемники, характеризующиеся импульсным, резко переменным 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 (которая может превышать в 1,5 раза) 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. Так, при работе печи ДСП100 на напряжении 35 кВ величина bU в сети составила (4,3…8,2)% при cos

0,1 …0,3 в период расплава металла и cos cp = 0,70…0,77 — в остальных режимах. При этом колебаний оказалась равной 8,3 Гц.

Нестабильность колебаний во многом предопределяется изменчивостью потребления реактивной мощности, поэтому, анализируя ее процесс изменения, можно получить достаточно достоверную информацию о характере колебаний в исследуемой электрической сети.

В электрических системах распространение колебаний происходит в направлении к шинам низкого практически без затуханий, а к шинам высокого — с затуханием по амплитуде. Этот эффект проявляется в зависимости от величины SK 3 системы. При распространении колебаний в любом направлении их частотный спектр сохраняется, а коэффициент затухания или усиления К определяется соотношением

где Sкз — мощность короткого замыкания ступени трансформации; Sт ном — номинальная мощность трансформатора; Ек — короткого замыкания трансформатора.

Источниками гармонических искажений являются в основном нагрузки, обладающие нелинейными характеристиками: дуговые сталеплавильные печи; вентильные преобразователи; трансформаторы с нелинейными вольтамперными характеристиками; преобразователи частоты; индукционные печи; вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи; телевизионные приемники; люминесцентные лампы; ртутные лампы. Последние три источника создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но их общее количество велико. Эффект наложения искажений приводит к их значительному уровню, даже в сетях высоких напряжений. Так, величина гармонических искажений КТшЯи в сетях 230 кВ за счет работы телевизионных приемников может достигать 1 %. Пока в узлах электроснабжения промышленных предприятий значения коэффициента искажения синусоидальности кривой Ки и коэффициента лй гармонической составляющей превышают нормы ГОСТ (табл. 10.4).

Распространение гармоник тока по сети также зависит от параметров схемы и конфигурации сети. При распространении гармоник тока от источника в направлении сети более высокого происходит снижение амплитуд гармонических составляющих, обычно вызванное увеличением величины SK3 системы. Если распространение гармоник происходит в направлении к сетям низкого напряжения, то затухание гармоник слабее. Существенное влияние на работу электрооборудования, в первую очередь на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений. При коэффициенте обратной последовательности напряжений, рав

ном 4%, срок службы электродвигателей сокращается примерно в

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания

Для самостоятельной работы студентов

ИВАНОВО 2010

Составители: О. А. Бушуева

Е. В. ТЮТИКОВА

Редактор М. И. Соколов

Методические указания предназначены для студентов специальностей 140205, 140211, а также могут быть полезны студентам других специальностей, изучающим дисциплину «Электроснабжение».

Утверждены цикловой методической комиссией ЭЭФ.

Рецензент

кафедра электрических систем ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания

для самостоятельной работы студентов

Составители: Бушуева Ольга Александровна

Тютикова Екатерина Владимировна

Редактор Н. Б. Михалева

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Печать плоская. Усл. печ. л. 2,09. Тираж 200 экз. Заказ

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

153003, Иваново, ул. Рабфаковская, 34

Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ

Введение 4

Проблема качества электроэнергии 4

Характеристика основных показателей качества

Электроэнергии 5

Расчет отклонений напряжения и

Оценка его допустимости 8

Оценка допустимости колебаний напряжения 10

Несинусоидальность напряжения. Расчет

Коэффициента искажения синусоидальности кривой

Напряжения и оценка его допустимости 15

Несимметрия напряжения. Расчет коэффициента

Несимметрии напряжения по обратной последовательности

И оценка его допустимости. 20

Задачи для самостоятельного решения 25

8. Контрольные вопросы 35

Библиографический список 37

Введение

Целью данных методических указаний является приобретение необходимых теоретических знаний и практических навыков проведения расчетов показателей качества электрической энергии, выполняемых при изучении темы “Качество электрической энергии”. Данная тема изучается студентами специальности 140205 в дисциплине “Специальные вопросы энергосистем”, а студентами специальности 140211 в дисциплине “Системы электроснабжения”.

Методические указания содержат необходимый теоретический материал и расчеты, которые проводятся при проектировании и эксплуатации электрических сетей различного назначения.

Указания окажут помощь студентам при подготовке к практическим занятиям, а также к междисциплинарному итоговому экзамену по специальности.

Проблема качества электроэнергии

Широкое применение в промышленности мощных нелинейных, несимметричных и резко изменяющихся нагрузок, способных существенно искажать основные характеристики электрической энергии, вызывает проблему электромагнитной совместимости электрооборудования и электрических сетей. Под электромагнитной совместимостью понимается способность потребителей электрической энергии нормальнофункционировать и не вносить в электрическую сеть недопустимых искажений, затрудняющих работу других потребителей.

При плохой электромагнитной совместимости, в первую очередь, снижается качество электрической энергии. Системы электроснабжения и электроприемники выполняют такими, чтобы наилучшее функционирование достигалось при питании их от однофазной или симметричной трехфазной системы напряжением заданной амплитуды и синусоидальной формы частотой 50 Гц. Однако в реальных электрических сетях в результате различных электромагнитных помех происходят отклонения от этих идеальных параметров, что приводит к ухудшению работы установок потребителей электроэнергии, проявляющемуся в технико-экономическом ущербе.

Пониженное качество электроэнергии оказывает негативное влияние как на работу отдельных электроприемников, так и на нормальное функционирование энергосистемы в целом. При снижении качества электроэнергии в электрических сетях имеют место следующие отрицательные последствия:

• увеличение потерь электроэнергии во всех элементах электрической сети;
• перегрев вращающихся машин, ускоренное старение изоляции, сокращение срока службы или выход из строя электрооборудования;
• рост потребления электроэнергии и необходимой мощности электрооборудования;
• нарушение работы и ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики;
• помехи в работе теле- и радиоаппаратуры, сбои электронных систем управления и вычислительной техники;
• отрицательное влияние на линии связи и устройства автоблокировки на железных дорогах;
• ухудшение показателей хозяйственной деятельности промышленных предприятий и т.д.

Наличие электрических связей между энергосистемами значительно расширяет зону отрицательного влияния снижения качества электроэнергии, обостряя тем самым проблему электромагнитной совместимости. Появилась необходимость оценивать и контролировать качество электроэнергии не только в данной точке присоединения потребителя к энергоснабжающей организации, но и в различных удаленных точках электрической сети.

Невнимание к качеству электроэнергии в процессе эксплуатации электрических сетей приводит к прогрессирующему расстройству электроснабжения потребителей и нарушениям работы электроприемников. Поэтому изучение вопросов оценки качества электроэнергии в различных точках электрической сети является важной задачей при подготовке инженеров электриков.

Электрическая энергия является одним из самых распространенных товаров в процессах купли-продажи. При этом электрическая энергия отличается особыми свойствами:

Совпадением во времени процессов производства, передачи, распределения и потребления;

Зависимостью характеристик качества электрической энергии не только от процессов производства, передачи и распределения, но и от процессов потребления.

То есть, электроэнергия – это один из немногих товаров, качество которого может напрямую зависеть и от потребителя. Тем не менее, на электроэнергию как товар распространяются соответствующие требования Гражданского кодекса РФ, ФЗ «О защите прав потребителей» и др. Нормы качества электрической энергии определяются межгосударственным стандартом , руководящими документами , хотя ряд свойств электрической энергии может напрямую создавать угрозы безопасности жизни, здоровья, людей (табл. 4.1). Поэтому целесообразно нормы качества электроэнергии регламентировать специальным техническим регламентом на уровне федерального закона.

Таблица 4.1.

Ущерб потребителя при нарушении нормативов качества электроэнергии

Свойства электроэнергии	Вид ущерба
Отклонение частоты	Недовыпуск и брак продукции
Отклонение напряжения	Недовыпуск и брак продукции, сокращение срока службы электрооборудования, дополнительные потери мощности и энергии
Провал напряжения	Сбой работы электронного оборудования, брак продукции, угроза безопасности жизни человека
Импульс напряжения	Выход из строя оборудования, угроза безопасности жизни, здоровья человека
Временное перенапряжение	Выход из строя оборудования
Несимметрия трехфазной системы напряжения в 4-х проводной сети – в 3-х проводной сети	Дополнительные потери мощности и энергии, невозможность использования оборудования. Дополнительные потери мощности и энергии, сокращение срока службы и выход из строя оборудования
Несинусоидальность напряжения	Дополнительные потери мощности и энергии, сокращение срока службы электрооборудования, сбой работы и выход из строя оборудования
Колебания напряжения	Неблагоприятное воздействие на зрение человека, сбой работы и выход из строя оборудования

Есть и другие причины повышения уровня статуса норм по качеству электроэнергии. Некоторые из них:

Нормы качества электроэнергии являются обязательными для исполнения во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения за исключением режимов, обусловленных форс-мажорными обстоятельствами.

Нормы ГОСТ 13109-97 подлежат включению в технические условия (ТУ) на присоединение и в договорах энергоснабжения.

Требования к качеству электроэнергии в ТУ и договорах энергоснабжения для потребителей, являющихся источником ухудшения качества электроэнергии, могут быть более жесткими, чем нормы ГОСТ 13109-97.

Нормы качества электроэнергии должны применяться при проектировании и эксплуатации электрических сетей, установлении уровней помехоустойчивости и помехоэмиссии технических средств.

Нормы качества электроэнергии, установленные ГОСТ 13109-97, являются обязательными для систем электроснабжения потребителей электроэнергии, если для этих систем отсутствуют отраслевые нормативные документы.

4.2. Влияние качества электроэнергии на работу потребителей, затраты энергии и ресурсов

На практике наблюдаются отклонения параметров электрической энергии, подаваемой потребителям, от требуемых стандартизированных значений. Эти отклонения негативно влияют на работу потребителей, приводят к непроизводительным потерям энергии и материальных ресурсов. Причинами ухудшения качества электроэнергии могут являться:

короткие замыкания в распределительной сети;

аварии в электрической сети;

неравномерность распределения нагрузки у потребителя по отдельным фазам;

срабатывание средств защиты и автоматики;

электромагнитные и сетевые возмущения (переходные процессы), связанные с включением, отключением и работой мощных потребителей электроэнергии и др.

Показатели качества электрической энергии связаны с изменением напряжения, а также с условиями обеспечения нагрузок в трехфазной сети и должны соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97 (2002) .

Рассмотрим влияние некоторых показателей качества на работу потребителей.

Отклонение напряжения от номинального значения. Отклонения напряжения от номинального значения происходят вследствие суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей, изменения мощности компенсирующих устройств, регулирования напряжения на выводах генераторов электростанций и трансформаторов на подстанциях энергосистем, а также изменения схем и параметров электрических сетей.

В соответствии с ГОСТ 13109-97 (2002) устанавливаются нормально и предельно допустимые отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии, которые составляют ±5 и ±10 % номинального значения напряжения.

В первую очередь на потребителях отражается установившееся отклонение напряжения. При понижении напряжения по отношению к его номинальному значению происходит уменьшение светового потока от ламп накаливания, снижается освещенность в помещении, на рабочих местах. Так, понижение напряжения на 10 % приводит к уменьшению освещенности рабочей поверхности в среднем на 40 %, что вызывает снижение производительности труда, повышенную утомляемость персонала. Повышение напряжения для ламп накаливания также на 10 % приводит к сокращению их срока службы и вызывает избыточное освещение рабочих поверхностей, что неблагоприятно сказывается на восприятии информации с мониторов и цифровых приборов. Газоразрядные люминесцентные лампы при указанном диапазоне изменения напряжения не столь существенно изменяют светоотдачу, но увеличение напряжения на 10-15 % приводит к резкому снижению их срока службы, а понижение напряжения на 20 % вызывает отказы зажигания ламп.

Отклонение напряжения от номинального значения приводит к изменению технических показателей электропривода. Снижение напряжения на входе асинхронных двигателей способствует изменению таких механических характеристик, как электромагнитный момент, частота вращения (скольжение). При этом уменьшается производительность механизма, а при понижении напряжения до уровня, когда механический момент на валу двигателя превышает электромагнитный, запуск двигателя становится невозможным. Установлено, что при понижении напряжения на 15 % номинального значения электромагнитный момент асинхронного двигателя снижается до 72 %, а при провалах напряжения двигатель вообще может остановиться. При понижении напряжения на входе электродвигателя при той же потребляемой мощности увеличивается потребляемый ток и происходит дополнительный нагрев обмоток двигателя, что приводит к сокращению срока его службы. При работе двигателя на напряжении 0,9 номинального значения срок его службы сокращается практически вдвое.

Повышение напряжения на входе электродвигателя вызывает увеличение потребления реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребление реактивной мощности увеличивается на 3 % для двигателей мощностью 20-100 кВт и на 5-7 % для двигателей меньшей мощности.

Использование электрической энергии в электротермических установках с отклонениями напряжения изменяет технологический процесс и себестоимость производимой продукции. Выделение теплоты в электротермических системах пропорционально приложенному напряжению во второй степени, поэтому при отклонении напряжения даже на 5 % производительность может измениться на 10-20 %.

Работа электролизных установок при пониженном напряжении связана со снижением их производительности, дополнительным расходом электродных систем, повышением удельного расхода электроэнергии и себестоимости продукции, получаемой в процессе электролиза.

Понижение напряжения на 5 % номинального значения приводит, например, к снижению выпуска продукции при производстве хлора и каустической соды на 8 %. Повышение напряжения более 1,05U ном вызывает недопустимый перегрев ванн электролизера.

Колебания напряжения. Колебания напряжения происходят вследствие резкого переменного изменения нагрузки на участке электрической сети, например, из-за включения асинхронного двигателя с большой кратностью пускового тока, технологических установок с быстропеременным режимом работы, сопровождающимся скачками активной и реактивной мощностей, таких как привод реверсивных прокатных станов, дуговые сталеплавильные печи, сварочные аппараты и т.п.

Колебания напряжения часто отражаются на источниках света. Человеческий глаз начинает воспринимать колебания светового потока, вызванные колебаниями напряжения. Колебания напряжения сети отрицательно сказываются на зрительном восприятии объектов, графической и текстовой информации. От пределов изменения напряжения и частоты колебаний в этом случае зависит возникновение фликкер-эффектов (мерцание света), что связано с ухудшением условий труда, понижением его производительности и утомляемостью работников.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на работе высокочастотных преобразователей, синхронных двигателей, на качестве работы индукционных нагревательных устройств. При изменении напряжения в сети может выпускаться бракованная продукция в текстильной и бумажной промышленности. Колебания частоты двигателей намоточных и протяжных устройств приводят к обрывам нитей и бумаги, к выпуску продукции разной толщины.

Колебания напряжения могут привести к неправильной работе защитных и автоматических управляющих систем. При изменении напряжения и его колебаниях свыше 15 % возможно отключение магнитных пускателей.

Отклонение частоты переменного напряжения сети от номинального значения. Одним из важнейших параметров электрической системы, обеспечивающей генерацию и потребление электроэнергии переменного тока, является стабильность частоты сети. Частота переменного напряжения в электрической системе определяется частотой вращения генераторов на электростанциях. В случае отсутствия баланса по выработке и потреблению электроэнергии генераторы начинают вращаться с другой частотой, что отражается на частоте сети. Таким образом, отклонение частоты сети является общесистемным показателем, характеризующим баланс мощности в системе. Для компенсации изменения частоты и напряжения в узлах сети система должна иметь резерв активной и реактивной мощностей, а также устройства регулирования, которые позволяют поддерживать отклонения режимных параметров в пределах нормированных значений. Отклонение частоты сети часто служит сигналом для увеличения выработки электроэнергии генерирующими станциями и для отключения части нагрузки во время перегрузок и при авариях с короткими замыканиями в системе. Нормализации частоты можно добиться в результате строгого соблюдения баланса генерируемой и потребляемой мощностей, исключением аварийных ситуаций и несанкционированных коммутаций на электрических станциях и подстанциях.

При изменении частоты меняется мощность металлорежущих станков, вентиляторов, центробежных насосов. Снижение частоты часто приводит к изменению производительности оборудования, а зачастую и к ухудшению качества выпускаемой продукции .

Несимметрия напряжений в трехфазной системе при неравномерном распределении нагрузки по фазам. Несимметрия напряжений обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок, неравномерным распределением нагрузки между фазами, обрывом одного из фазных проводов.

Неодинаковые значения напряжения и тока в фазах обычно свидетельствуют о неравномерном распределении нагрузок у потребителя по отдельным фазам.

Несимметричные значения фазных напряжений приводят к тому, что в электрических сетях появляются дополнительные потери. При этом существенно сокращается срок службы асинхронных двигателей вследствие дополнительного теплового нагрева, при этом целесообразно выбирать двигатели большей номинальной мощности, чем требуемая.

Несимметрия фазных напряжений в электрических машинах переменного тока равнозначна появлению магнитных полей, векторы магнитной индукции которых вращаются в противоположном направлении с удвоенной синхронной частотой, что может нарушить технологические процессы.

При несимметрии напряжений сети, посредством которой питаются синхронные двигатели, могут дополнительно возникать опасные вибрации. При значительной несимметрии фазного напряжения вибрации могут оказаться столь существенными, что возникает опасность разрушения фундаментов, на которых устанавливаются двигатели, и нарушения сварных соединений.

Несимметрия фазных напряжений оказывает заметное влияние на работу силовых трансформаторов, вызывая сокращение срока их службы. Анализ работы трехфазных силовых трансформаторов показал, что при номинальной нагрузке и коэффициенте несимметрии токов, равном 10%, срок службы изоляции трансформаторов сокращается на 16 %.

Несинусоидальность кривой напряжения при нелинейной нагрузке. Несинусоидальность кривой напряжения равнозначна возникновению высших гармонических составляющих в питающем напряжении. Чаще всего появление высших гармоник связано с подключением оборудования с нелинейной зависимостью сопротивления нагрузки. К такому оборудованию можно отнести преобразовательные устройства (выпрямители, преобразователи, стабилизаторы), газоразрядные приборы (люминесцентные лампы), установки с прерыванием тока в технологическом процессе (электросварка, дуговые печи и др.).

Несинусоидальность кривой напряжения влияет на все группы потребителей. Это вызвано дополнительным нагревом элементов электроприемников от высших гармоник. Высшие гармоники вызывают дополнительные потери мощности в двигателях, трансформаторах, а также тепловые потери в изоляции, силовых кабелях и системах, в которых используются электрические конденсаторы, ухудшают условия работы батарей конденсаторов устройств компенсации реактивной мощности. При несинусоидальной кривой напряжения происходит ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей в результате необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием высокочастотных полей, повышенного нагрева токоведущих частей сердечников и изоляции.

Таким образом, снижение качества электроэнергии приводит к ухудшению условий труда, уменьшению объемов производства, потерям ресурсов из-за ухудшения качества продукции и снижению срока службы оборудования, а также к дополнительным затратам электрической энергии.

Показатели качества электроэнергии могут быть определены с помощью специальных приборов. В результате анализа показаний этих приборов в ряде случаев можно определить и виновников ухудшения качества электроэнергии, которыми могут быть энергоснабжающая организация, потребители с переменной, нелинейной или несимметричной нагрузкой.

В настоящее время существуют устройства для улучшения качества электроэнергии. Уменьшить влияние высших гармоник на питающее напряжение удается с помощью специальных активных фильтров, которые подавляют высшие гармоники. Для равномерного распределения нагрузки применяют симметрирующие устройства, включающие в себя емкостные и индуктивные элементы.

4.3. Проверка качества работы энергоустановок

Как показано выше, от качества работы элементов энергоустановки и систем энергоснабжения зачастую зависит и состояние промышленного производства, и качество жизни населения. Качество энергоснабжения напрямую влияет на обеспечение эффективности, надежности и безопасности у энергопотребителей.

Задача энергоаудита качества – получить доказательства о фактических значениях выходных параметров (потребительских свойств) энергоустановки, энергоносителя, энергооборудования и проверить соответствие этих параметров обоснованным потребностям промышленных и бытовых потребителей, проектной и технической документации, установленным нормам и правилам, а также современному уровню технологического развития.

Основная информация о технических характеристиках электрооборудования содержится в их технических паспортах. Кроме того, стандарты предписывают производителям оборудования наносить на его поверхность номинальные параметры работы.

Рабочие характеристики оборудования, необходимые для потребителей, обычно можно почерпнуть из проектной и эксплуатационной документации на объект, в котором установлено данное оборудование.

Это же касается и систем энергоснабжения в целом, для которых должен существовать также и специализированный документ: схема энергоснабжения.

К сожалению, зачастую случается так, что найти необходимую документацию не удается, маркировка оборудования закрашена, а требования, на основе которых разрабатывался проект энергоустановки, не соответствует современным.

Качество энергоносителя фиксируется в договорах энергоснабжения и, как правило, должно подтверждаться сертификатом или гарантироваться поставщиком.

Однако то и другое у нас в стране находится пока еще в начальной стадии развития, а в договорной практике принято ограничиваться указанием только энергетических характеристик энергоносителя.

Поэтому на сегодняшний день одним из основных источников аудиторских доказательств по качественным характеристикам работы энергоустановок являются вахтенные журналы оперативного учета и контрольные измерения, выполненные самим аудитором.

Особенности энергоаудита качества рассмотрим на примере систем электроснабжения.

Качество электрической энергии, как известно,обуславливается ее пригодностью для обеспечения нормального функционирования технических средств (электрических, электронных, радиоэлектронных и других) потребителей электрической энергии.

Еще раз подчеркнем, что особенность электрической энергии, как продукции, в частности состоит в неразрывности и одновременности процессов производства и потребления, в результате чего искажающее влияние на качество энергии может быть оказано как электроприемниками потребителя, так и привнесено извне в виде конструктивной электромагнитной помехи, распространяемой по общей электрической сети. При этом источниками искажений качества электрической энергии могут быть как собственные электроприемники, так и электроприемники других потребителей, а также электротехническое оборудование электрических станций и сетей. В части терминов и определений параметров качества электрической энергии энергоаудитору следует руководствоваться ГОСТ 23875-88 .

Качество электрической энергии (КЭ) оказывает существенное влияние на надежность и экономичность работы электрооборудования. Ухудшение КЭ может привести к имущественному ущербу у потребителей (выход из строя электротехнического оборудования), нарушение работы устройств автоматики, телемеханики, связи, электронной техники, увеличение потерь электроэнергии, нерегламентируемым изменениям технологического процесса, снижению качества выпускаемой продукции, производительности труда и др. В отдельных случаях, КЭ может повлиять на безопасность жизни и здоровья людей.

Зачастую из-за неудовлетворительного КЭ оказываются бессмысленными капиталовложения в современные технологии и промышленное оборудование, требовательное к параметрам электроснабжения.

Во многом сложившиеся положение с КЭ в электрических сетях объясняется тем, что длительное время электроэнергетика России развивалась по экстенсивному пути. В первую очередь решались задачи обеспечения электроэнергией растущих потребностей промышленности, сельского и коммунально-бытового хозяйства страны, повышения надежности электроснабжения и др.

На этом этапе развития электроэнергетики обеспечение КЭ, поставляемой потребителям, не рассматривалось энергоснабжающими организациями как одна из основных задач во взаимоотношениях с ними.

В связи с этим, энергоснабжающие организации не уделяли должного внимания созданию системы управления КЭ, отпускаемой потребителям, в том числе созданию организационной структуры, разработке внутренних документов, организации системы контроля и анализа КЭ и др. Вопросы КЭ не затрагивались в договорах энергоснабжения и технических условиях на присоединение потребителей.

В настоящее время спрос на аудит КЭ постоянно повышается. Потребители электроэнергии, как юридические, так и физические лица, не желают мириться с положением, когда энергоснабжающие организации не обеспечивают качество поставляемой энергии.

В связи с этим, задачей энергетического аудита качества является не только установление степени соответствия параметров энергоносителя или энергооборудования установленным требованиям, но и выработка комплекса мероприятий, обеспечивающих стабильность поддержания требуемых показателей качества и их защиту от возможного искажения.

Квалифицированный аудит системы управления качеством электрической энергии позволит энергоснабжающим организациям улучшить качество поставляемой энергии, уменьшить убытки от претензий со стороны потребителей, повысить надежность электроснабжения и стабильность выручки.

Под системой качества энергоснабжающей организации понимают совокупность организационной структуры, методик, процессов и ресурсов энергоснабжающей организации, которая необходима для осуществления административного руководства обеспечением качества поставляемой электрической энергии.

Аудиторские проверки проводятся путем контроля производства электрической энергии и/или системы качества, а также экспертизы протоколов периодического или непрерывного контроля КЭ.

Контроль качества электрической энергии подразумевает оценку соответствия показателей установленным нормам и определение стороны виновной в ухудшении этих показателей.

Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения установлены для следующих показателей КЭ:

Отклонение частоты;

Установившиеся отклонение напряжения;

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Первые два показателя являются наиболее критичными для электропотребителей, поэтому с учетом только этих двух показателей установлена наиболее массовая процедура обязательной сертификации электрической энергии.

Определение показателей качества электрической энергии задача нетривиальная.

Большинство процессов в электрических сетях – быстротекущие, все нормируемые показатели качества электрической энергии не могут быть одномоментно измерены напрямую – их необходимо рассчитывать, а окончательное заключение можно дать только статистически обработанными результатами.

Поэтому для определения показателей КЭ необходимо выполнить большой объем измерений с высокой скоростью и одновременной математической и статистической обработкой значений этих параметров. Причем самый большой поток измерений необходим для определения несинусоидальности напряжения. Для определения всех гармоник до 40-ой включительно и в пределах допустимых погрешностей требуется выполнять измерения мгновенных значений трех междуфазных напряжений 256 раз за период (3·256·50=38400 в секунду). А для определения виновной стороны, одновременно измеряются мгновенные значения фазных токов и фазовый сдвиг между напряжением и током, только в этом случае возможно определить, с какой стороны и какой величины внесена та или иная помеха. Наиболее сложная математика задействована при оценке колебаний напряжения. ГОСТ 13109-97 нормирует эти явления для огибающей меандровой (прямоугольной) формы, а в сети колебания напряжения имеют случайный характер.

Здесь же необходимо указать на наиболее массовые причины, ухудшающие показатели КЭ:

Удаленность потребителя от центра питания;

Малое сечение проводов в высоковольтных внешних сетях, по которым поставляется электроэнергия потребителю;

Плохое качество электрических соединений во внутренней сети потребителя;

Превышение потребителями мощности электроприемников, согласованной с электроснабжающей организацией;

Самовольное подключение абонентов, не зарегистрированных в электроснабжающей организации;

Использование потребителями приемников электроэнергии с резкопеременной нагрузкой, импульсными блоками питания;

Переходные процессы в электрических сетях из-за коротких замыканий, ударов молний в элементы сети, действий систем релейной защиты и автоматики, коммутаций различного электрооборудования, обрывов нулевого провода в сетях 0,4 кВ;

Ошибочные действия персонала и ложные срабатывания средств защиты и автоматики;

Отсутствие или недостаточность централизованного регулирования напряжения, средств компенсации реактивной мощности.

При выражении мнения о способах повышения КЭ аудитору целесообразно рассмотреть эффективность следующих технических мероприятий:

1. проведение поэтапной реконструкции в самых удаленных участках распределительной электросети 6-10/0,4 кВ, где уровень напряжения недопустимо низок;

2. увеличение сечения линий электропередач;

3. присоединение к более мощной системе энергоснабжения;

4. организация работы по выявлению самовольно подключившихся к электросети абонентов;

5. периодическая перефазировка нагрузок;

6. питание мощных искажающих нагрузок от отдельной системы шин;

7. внедрение автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии с контролем КЭ или автоматизированных систем управления КЭ;

8. выполнение сезонных переключений потребителей на трансформаторных подстанциях;

9. применение ЧРП или устройств плавного пуска электроприемников с большими пусковыми токами;

10.применение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности в распределительной сети;

Кроме того, важно выразить мнение по договорам энергоснабжения на предмет четкого распределения ответственности сторон за недопустимое отклонение показателей от установленных норм.

Примечание: Вопросы воздействия на различные компоненты окружающей среды и применимости, а также экономические аспекты обсуждаются в разделе 3.6.7

Исторически техническое развитие тесно связано с использованием электроэнергии. Широкое применение в XXI веке информационно-технологических комплексов, силовой электроники, приводов с регулируемой скоростью и энергоэффективного освещения изменило природу электрических нагрузок. Эти нагрузки стали одновременно жертвами и виновниками проблем качества электрической энергии.

Правовые основы

До сих пор в мире нет строгого общепринятого определения этого термина. Наиболее универсальное было предложено Консультативным комитетом по электромагнитной совместимости МЭК и звучит следующим образом: «Качество электроэнергии - это набор параметров, характеризующих свойства процесса подвода энергии пользователю при нормальных условиях эксплуатации, определяющих непрерывность источника и показатели напряжения (значение, асимметрию, частоту, форму сигнала, фазу)». В широком смысле этот термин означает свод ограничений для поставщиков, который гарантирует потребителям работу оборудования без потерь производительности или повреждений.

Из-за присоединения России к ВТО все требования к товарам, в том числе и к электрической энергии, должны соответствовать требованиям международного стандарта. С июля 2014 года ГОСТ 321444–2013 стал единственным документом, определяющим требования к качеству электроэнергии на территории Российской Федерации. В его преамбуле указано, что документ учитывает требования европейского регионального стандарта EN 50160−2010.

Свойства электроэнергии

Электричество - самая универсальная и адаптивная форма энергии. Оно используется для преобразования в другие формы: тепло, свет, движение, электромагнитные и акустические колебания и др. Это свойство электричества является основой для современных телекоммуникаций, транспорта, промышленности и информационных технологий.

Электроэнергия поставляется потребителям в качестве товара с показателями, определяющими ее пригодность и полезность. Можно сказать, что ее как продукт определяют пять параметров :

1. Амплитуда.
2. Частота.
3. Форма сигнала.
4. Симметричность фаз.
5. Непрерывность.

При использовании электроэнергии желательно, чтобы переменное напряжение обладало неизменной частотой, имело синусоидальную длину волны и постоянную фазу. На практике существует множество факторов, вызывающих нестабильность этих параметров. Главной причиной, приводящей к изменению показателей качества электроэнергии, является сам факт использования продукта покупателем. Это отличает её от обычных товаров.

Причины и последствия

Форс-мажорные обстоятельства могут нанести серьёзный вред работе электрических сетей. Если не брать в учёт природные катаклизмы, погодные условия, политическую нестабильность или умышленные повреждения, то основные причины, влияющие на качество, можно разделить на две категории:

1. Проблемы у поставщиков.
2. Проблемы, связанные с нагрузкой.

Разделение между ними не является полным, так как нарушения, вызванные оборудованием в одной системе, могут привести к повреждению или разрушению другой. Например, дуга заводской печи может вызвать кратковременное падение напряжения у соседних пользователей в момент включения. Самые распространённые проблемы, связанные именно с генерацией и передачей электроэнергии потребителям, вызваны в основном грозами, отказами оборудования, неисправностями распределительных сетей, операциями техобслуживания и переключения.

​ Со стороны потребителей наиболее частыми являются нагрузки от тяжёлых пусковых установок и электрические помехи. Главные источники проблем:

• большие двигатели;
• сварочные агрегаты;
• медицинское оборудование, например, магнитно-резонансная томография и рентгеновские аппараты;
• осветительные балласты;
• зарядные устройства;
• источники бесперебойного питания.

Важнейший показатель электроэнергии для пользователя - непрерывность напряжения. Существует немало сфер человеческой деятельности, где прекращение энергоснабжения чревато необратимыми последствиями, например, технологические линии, работающие в непрерывном цикле, медицинские учреждения. Для подобных потребителей даже краткосрочное прерывание в сети питания может привести к значительному экономическому ущербу. В других случаях отсутствие близости фактического сигнала к идеалу может стать причиной:

Старое механическое оборудование из прошлого века достаточно надёжно и способно выдерживать небольшие изменения в напряжении без влияния на выполняемые им операции. Технологические достижения последних лет в области потребительской и промышленной электроники привели к появлению большого парка интеллектуальных устройств, работающих через преобразователи переменного тока в постоянный.

Эти приборы не только очень чувствительны к отклонениям параметров напряжения от идеальных, но и сами являются источником проблем для другого оборудования, создавая гармоники в сети.

Способы повышения качества

Существует немало методов, которые помогают бороться с проблемами, связанными с плохим качеством электроэнергии. Самыми серьёзными сложностями для потребителей обычно являются не повреждения физического оборудования, а снижение производительности и дорогостоящие простои. Как и в случае с болезнями, значительно проще и дешевле предотвращение заболевания, чем его диагностика и лечение. Некоторые решения, которые помогут свести проблемы к минимуму:

Предварительное тщательное исследование нарушения параметров энергоснабжения и выявление их причин никогда не будут лишними. В сложных случаях рекомендуется профессиональная инженерная помощь.

Можно сказать, что в последнее десятилетие проблемы энергоснабжения потребителями стали ощущаться острее, хоть принципиально качество систем сетевого питания в мире не изменилось. Перемены заключаются в том, что современное общество стало крупным потребителем интеллектуальной электроники. Новые технологии обострили проблемы энергоснабжения, которые были всегда.

Основную ответственность за качество электроэнергии должны нести ЭК как организаторы энергоснабжения. Сегодня, пользуясь тем, что в ГОСТ 13109-97 не указана количество провалов напряжения в течение года, они не всегда осуществляют необходимый контроль и не уделяют внимание надлежащему состоянию и обслуживанию своего электрохозяйства. С другой стороны, часто виновником ухудшения ПКЭ может выступать и потребитель, широко используя мощные вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности влияют на КЭ. В табл. 13.4 приведены субъекты рынка, от деятельности которых в основном зависит качество электроэнергии. Проанализируем более подробно влияние субъектов рынка электроэнергии на показатели ее качества.

Энергоснабжающие организации

Основной причиной низкой КЭ здесь есть износ распределительных сетей. По данным Министерства энергетики Украины износа распределительного комплекса достигает около 66 % (Энергетика, 2005; Концерн 2013). Подстанционное оборудования изношено на 70%, ЛЭП - на 40% (Жорняк, 2010). Причем заметна тенденция: чем ниже напряжение сетей, тем в большей степени они изношены. Стабильный рост электропотребления и жесткость режимов использования электроэнергии обусловливают необходимость срочной модернизации электрических сетей.

Причинами аварийных ситуаций также устаревшее оборудование, ненадежная работа самого оборудования по техническим отказа и некорректная работа обслуживающего персонала (Жорняк, 2010). Халатное отношение ЭК к своему электрохозяйства в совокупности приводит к ухудшению ПКЭ. С целью вывода человеческого фактора за контур действия СЭП необходимо повышать уровень автоматизации генерирующих и распределительных систем.

Таблица 13.4 - наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ (Герлига 2011; Жорняк 2010 )

Свойства электрической энергии	показатель КЭ	Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
отклонение напряжения	Отклонение напряжения δUв.
колебания напряжения	Размах колебаний напряжения δU t . Доза фликера Р t	Потребитель с резко переменной нагрузкой
несинусоидальность напряжения	Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K U . Коэффициент п и гармоничной составляющей напряжения K U (n)	Потребитель с нелинейной нагрузкой, МК
Несимметрия трехфазной системы напряжений	Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К 0U	Потребитель с несимметричной нагрузкой, МК
отклонение частоты	Отклонение частоты δf	СО, генерирующие компании
провал напряжения	Продолжительность провала напряжения Δ t n
импульс напряжения	Импульсное напряжение U имп
временная перенапряжение	Коэффициент временного перенапряжения K пер U