Качество электроэнергии. требования к качеству электроэнергии

Переходные процессы

Второй категорией в классификации явления качества электроэнергии является переходное напряжение, ранее называвшееся импульсами, обычно имеет импульсный или колебательный характер. Молния, поражающая распределительную линию, представляет собой такой импульс, приводящий к сильным и кратковременным (обычно порядка нескольких микросекунд) отклонениям формы сигнала в одном направлении, за которым возможно следует пара более слабых импульсов в обоих направлениях. Выемки в сигнале вследствие мгновенного короткого замыкания при коммутации обычно относятся к однополярным (в одном направлении) импульсам.

Колебательному импульсу соответствует сигнал биений либо последующее колебание. Наиболее превалирующим типом переходных процессов является переключение конденсаторов, компенсирующих реактивную мощность. Высокий входной ток возникает в разряженном конденсаторе благодаря законам Ома и Кирхгофа и приводит к резкому падению напряжения. Но так как распределительные линии имеют высокую индуктивную составляющую сопротивления, резкое включение значительной емкости приводит к временному возникновению условий резонанса (см. затухающие колебания на рис. 7). Иногда возникающие колебания могут быть более существенными и опасными, чем исходный переходный процесс.

Повреждения от переходных процессов могут быть незаметными. Хотя бывают катастрофические повреждения вследствие прямого попадания молнии в проводку зданий, более частые повреждения возникают от повреждений переходов силовых полупроводников или диэлектрика в конденсаторных батареях и приводят к ошибкам при передаче данных или повреждению данных в памяти.

Из чего сделана электроэнергия?

Электроэнергия, которой питается потребитель, имеет несколько параметров, которые мы сейчас рассмотрим. Параметры эти существуют не просто так, сами по себе. Питающая сеть – это система, состоящая из нескольких частей, которые взаимосвязаны и влияют друг на друга. Основные составляющие системы электропитания:

• Генератор (источник) электроэнергии,
• Линия электропередачи,
• Нагрузка.

Нас, конечно же, интересует питание нагрузки. Итак, посмотрим, что мы можем измерить и посмотреть реально в питающей сети:

Напряжение

Это – самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы. Будем рассматривать трехфазную систему, не смотря на то, что в быту мы привыкли к одной фазе.

Что реально происходит в электросети, видно на экране анализатора качества электроэнергии Hioki 3197:

Линейные напряжения в трехфазной сети

Напряжение колеблется около среднего уровня 395 В с отклонением 2..3 В за период измерения около 12 минут. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, где-то примерно каждые пол минуты на 5-10 секунд включается мощная трехфазная нагрузка. Что бы это могло быть?

Это линейные напряжения, фазные в солидных сетях не измеряются. Но если это нужно, можно легко перевести фазное в линейное напряжение и обратно, используя формулу:

Формула линейного напряжения, зависимость от фазного

Для понимания – Uл = 380 В, Uф = 220 В, а формула “наоборот” будет выглядеть так:

Формула зависимости фазного напряжения от линейного при отсутствии перекоса фаз

График, приведенный выше, может записываться в память прибора и длиться до нескольких дней. Таким образом можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор, либо вообще его не ставить.

Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все “артефакты” на напряжении. Например, скачки напряжения, провалы, пусковые токи, и т.д

Пороги событий устанавливаются в настройках.

Пример экрана, на котором отображены события:

События и деталировка на экране анализатора качества

Виды защиты от непредсказуемых изменений в питающей сети

Повышение качества электроэнергии нужно проводить в определенные законом сроки. Но защиту своего оборудования потребитель вправе выстраивать применением следующих средств:

• Стабилизаторы питания гарантируют поддержание входной величины в указанных границах. Достигается качественная энергия даже при отклонениях входной величины более чем на 35 %.
• Источники бесперебойного питания предназначены для поддержания работоспособности потребителя в течение установленного промежутка времени. Питание приборов происходит за счет накопленной энергии в собственной батарее. При отключении электричества, бесперебойники способны поддерживать работоспособность аппаратуры целого офиса в течение нескольких часов.
• Приборы защиты от скачков напряжения работают по принципу реле. После превышения входной величины установленного предела происходит размыкание цепи.

Все виды защиты приходится комбинировать для обеспечения полной уверенности в том, что дорогостоящая техника останется целой во время аварии на подстанции.

Отклонение частоты

Соблюдение частоты в определенных границах относится к необходимому требованию потребителя. При снижении показателя на 1 %, потери составляют более 2 %. Это выражается в экономических затратах, снижение производительности предприятий. Для обычного человека это приводит к повышенным суммам в квитанциях по оплате за электричество.

Скорость вращения асинхронного двигателя напрямую зависит от частоты питающей сети. Нагревающие ТЭНы имеют меньшую производительность при снижении параметра меньше 50 ГЦ. При завышенных значениях может происходить повреждение потребителей либо других механизмов, не рассчитанных на высокий момент вращения.

Отклонение частоты может повлиять на работу электроники. Так на экране телевизора возникают помехи при изменении показателя на ±0,1Гц. Кроме визуальных дефектов, возрастает риск вывода из строя микроэлементов. Методом борьбы с отклонениями качества электроэнергии выступает введение резервных питающих узлов, позволяющих в автоматическом режиме восстанавливать напряжение в установленные промежутки времени.

Коэффициенты

Для нормальной работы питающей сети введен контроль следующих коэффициентов:

Несинусоидальности кривой напряжения. Искажение синусоиды происходит за счет мощных потребителей: ТЭНов, конвекционных печей, сварочных аппаратов. При отклонениях этого параметра снижается срок службы обмоток двигателей, нарушается работа релейной автоматики, выходят из строя приводные системы на тиристорном управлении.
Временного перенапряжения является количественной оценкой импульсного изменения входной величины.
N-ой гармоники является характеристикой синусоидальности получаемой на входе характеристики напряжения

Расчетные значения получают из табличных данных для каждой гармоники.
Несимметрия входной величины по обратной или нулевой последовательности важно учитывать для исключения случаев неравномерного распределения фаз. Такие условия возникают чаще при обрыве питающей сети, подключенной по схеме звезды или треугольника.

Ощутимые перепады

Измерения качества электроэнергии предусматривают замеры такой составляющей, как импульсы питающего напряжения. Он объясняется резкими спадами и подъемами электричества в пределах выбранного интервала. Причинами такого явления может быть одновременная коммутация большого числа потребителей, влияние электромагнитных помех из-за грозы.

Установлены периоды восстановления напряжения, не влияющие на работу потребителей:

• Причины перепадов — это гроза и другие природные электромагнитные помехи. Период восстановления равен не более 15 мкс.
• Если импульсы появились из-за неравномерной коммутации потребителей, то период намного больше и равен 15 мс.

Наибольшее число аварий на подстанциях происходит по причине удара молнии в установку. Сразу страдает изоляция проводников. Величина перенапряжения может достигать сотен киловольт. Для этого предусмотрены защитные приспособления, но иногда они не выдерживают, и наблюдается остаточный потенциал. В эти моменты неисправность не возникает благодаря прочности изоляции.

Установка и проблемы, связанные с нагрузкой

Существуют три основные проблемы с установками:

1. токи
2. утечки на землю
3. и скачки напряжения

Гармонические токи

Гармонические токи возникают из-за растущего преобладания используемых нелинейных нагрузок и вызывают проблемы в проводке, трансформаторах и моторах. Использование гармонических токов из сети электропитания налагает искажение на форму кривой напряжения, что при отсутствии проверки может стать причиной проблем для других пользователей электросети. Таким образом, устанавливаются рамки для дозволенной амплитуды основных гармоник.

Токи утечки на землю

Токи утечки на землю возникают из-за самого современного электронного оборудования.

Для отдельных единиц ток достаточно мал, часто менее 3.5мА, но что касается, например компьютеров, ток может быть достаточно большим. В дополнение ко всему существует значительный высокочастотный компонент в токе утечки, появляющийся в результате фильтрации переходных процессов в энергоблоках.

Основные системы заземления были созданы для функционирования в качестве защитного заземления (т.е. для обеспечения низко-импедансного тракта для тока короткого замыкания, для обеспечения защиты от перегрузки по току), а не для того чтобы справляться с постоянными токами утечки, особенно при высокой частоте. Высокая чувствительность к шумам от современных компьютеров и оборудования систем связи наложила дополнительные требования на систему заземления.

Провалы и скачки напряжения

Основные дефекты от отклонений напряжения приписываются к проблемам с электропитанием, но это не всегда является причиной.

Переключение тяжелых нагрузок, таких как большие моторы и дуговые печи, становятся причиной провалов напряжения и если нагрузка является индуктивной, то и переходных электрических перенапряжений. Провалы могут длиться несколько секунд, пока оборудование набирает скорость, становясь источником проблем для чувствительного к напряжению оборудования. Такие переходные перенапряжения могут вызывать поломку электронного оборудования, а посредством индуктивной связи с линией передачи данных и ошибки в обработке данных на компьютерах и системах связи.

В обстоятельствах, когда используются конденсаторы компенсации реактивной мощности, может возникнуть резонанс с индуктивным сопротивлением электропитания, что приводит к поломке конденсаторов.

Практические решения включают в себя отделение одной энергосистемы от другой и использование проводов с хорошей площадью поперечного сечений.

Определенные решения могут оказаться полезными когда источник проблемы не находится под контролем клиента.

В любом случае, использование превентивных мер на практике является наилучшим выбором.

Что происходит с потребителями при отклонении нормальных режимов питания?

Параметры качества электроэнергии влияют на длительность работы подключаемых устройств, часто это становится критично на производствах. Падает производительность линий, увеличивается расход энергии. Так на валу двигателей снижается вращающий момент при падении значений показателей питающей сети. Укорачивается срок службы ламп освещения, световой поток ламп становится меньше либо мерцает, что сказывается на выпускаемой продукции в теплицах. Существенное влияние оказывается на процессы других биохимических реакций.

Согласно законам физики снижение напряжения при неизменной нагрузке на валу двигателя приводит к стремительному росту тока. Это, в свою очередь, приводит к сбоям в работе защитных выключателей. В результате плавится изоляция, в лучшем случае горят плавкие предохранители, в худшем безвозвратно портятся обмотки двигателей, элементы электроники. При аналогичных обстоятельствах электросчетчик начинает вращаться с большей скоростью. Хозяин помещения терпит убытки.

Классификация проверок

В зависимости от цели контроль качества распределяется на 4 вида:

• оперативный;
• инспекционный;
• диагностический;
• коммерческий учет.

Виды анализа имеют свои особенности, характеристики и целевое назначение. Необходимость проведения той или иной инспекции определяется узкими специалистами на основе общепринятых стандартов работы электрических сетей.

Диагностический вид контроля, предназначен для решения спорных вопросов между поставщиком и потребителем. Он проводится в местах распределения электричества между двумя сторонами договора. На основе полученных данных, создается официальный отчет, позволяющий доказать невыполнение правил соглашения. После рассмотрения отчета, виновная сторона будет обязана устранить нарушения и повысить качество электроэнергии.

Инспекционный контроль проводится сертифицированными службами с целью выявления отклонений от официальных требований и нормативов. Аудит является обязательным для всех сторон договора и проводится с определенной периодичностью.

При возникновении дефектов проводится оперативный контроль. Он выявляет реальные и потенциальные угрозы понижения качества электричества в сети. В результате проверки проводятся мероприятия по устранению нарушений работы и профилактические процедуры.

Коммерческий учет, предназначен для рассмотрения ставок и тарифов поставщика. Анализ осуществляется в местах раздела электросети между двумя сторонами договора. Исследование назначается при необходимости определения уровня надбавок и скидок за предоставленное качество ресурса.

Многофункциональные измерительные приборы

Современные многофункциональные приборы обеспечивают получение результатов не только в цифровом формате, но и в денежном эквиваленте. Модели отличаются рядом показателей:

• задачи;
• область применения;
• функционал.

Модели нового поколения ускоряют процесс получения значений по прогнозированию, фиксации, устранению и предотвращению возникновения новых проблем в работе системы. С помощью специальных аппаратов, специалисты определяют механические и электрические параметры.

Отсутствие контроля приводит к частым неполадкам, сбоям энергосистемы и чрезмерным расходам электричества. Общего показателя эффективности работы сети недостаточно для проведения глубинного анализа. Большие предприятия обращаются в сертифицированные службы для осуществления контроля над всеми компонентами рабочей зоны.

Важно анализировать нагрузки в динамике. Это позволит выявить уровень износа электросети и своевременно провести мероприятия по устранению потенциальных угроз

При выявлении вины поставщика, потребитель будет лишен необходимости брать на себя обязанность по решению проблем.

Методы измерения

Существует три основных вида приборов, с помощью которых можно осуществить замеры показателей:

• измеряющие — представляют собой токоизмерительные клещи, имеющие блок индикации; определяют только номинальные значения параметров, применяются для ежедневного контроля;
• анализирующие — помимо определения номинальных параметров способны проводить анализ фазного дисбаланса, потерь, способны оценивать энергетические потери; применяют для осуществления разовых замеров;
• регистрирующие — являются стационарными приборами, выполняют те же функции, что и анализирующие приборы, но за продолжительное время; они позволяют строить любые необходимые графики.

Для обеспечения надежности функционирования энергосистем необходимо соответствие показателей качества электроэнергии определенным требованиям. Для этого производится их нормирование. Чтобы своевременно отслеживать соответствие параметров нормативным значениям необходимо осуществление контроля. Контроль качества проводит рабочий персонал энергетических предприятий.

Продолжительность замера каждого показателя составляет не менее двадцати четырех часов, при этом, периодичность контроля установлена международным государственным стандартом и составляет 1 раз в два года, кроме отклонения напряжения (2 раза в год).

Более подробно данный вопрос рассмотрен на видео:

Вот мы и рассмотрели основные показатели качества электроэнергии, их нормирование и методы измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас интересной и познавательной!

Будет полезно прочитать:

• Что такое перенапряжение в сети
• Приборы для измерения сопротивления заземления
• Причины потерь электроэнергии в сетях

Размах изменения питающей сети

Нормы качества электроэнергии содержат надзор за таким параметром, как колебание составляющих напряжения. Он устанавливает разницу между верхним порогом амплитуды и нижним. Учитывая, что допуски отклонения параметра от установленного укладываются в предел ±5 %, то размах предельный режим не может превышать ±10 %. Питающая сеть 220 В не может колебаться более или менее 22 В, а 380 В работает нормально в границах ±38 В.

Результирующий размах колебаний напряжения рассчитывается по следующему выражению ΔU = U_max−U_min, в нормативах результаты указываются в % согласно расчетам ΔU = ((U_max−U_min)/U_nominal)*100%.

Рассмотрение основных показателей

Качество электроэнергии определяют соответствием параметров электрической сети, установленным значениям определенных показателей. Все параметры электрической энергии большую часть времени в сутках (95%) должны соответствовать нормальным установленным значениям и не превышать данный предел.

ГОСТ 32144-2013 разделяет показатели и нормы качества на два категории: основные и дополнительные. Основные определяют свойства электроэнергии. В данную подгруппу входит 9 характеристик напряжения и 1 характеристика частоты. Рассмотрим ряд основных показателей более подробно.

Отклонение напряжения. Оказывает наибольшее влияние на работу потребителей. Нагрузки, уровни напряжения и другие параметры способны изменяться во времени. Исходя из этого, значение падения напряжения также является переменным. При этом, значительное снижение напряжения на промышленных предприятиях оказывает негативное воздействие на общую производительность труда, отрицательно сказывается на зрении рабочего персонала. Также, снижение напряжения оказывает влияние на продолжительность большинства технологических процессов в электротермической и электролизной установках. Помимо этого, несоответствие уровня напряжения необходимым значениям приводит к потере напряжения и мощности.

В сетях до 1 кВ допустимое отклонение напряжения ±5 %, максимальное ±10 %. В сетях 6-20 кВ принята величина максимального отклонения ±10 %.

Размах изменения напряжения. Этот параметр качества электроэнергии представляет собой разницу между амплитудным или действующим значением перед и после его изменения. Частота повторения данных изменений может быть от 2 раз/мин. до 1 раза/ч. Столь резкие изменения в трехфазной сети могут быть вызваны, к примеру, работой дуговой сталеплавильной печи либо сварочного аппарата. Нормирование колебаний напряжения основывается на необходимости защиты зрения людей. Для каждого вида ламп устанавливается свое отдельное значение размаха. Чтобы обеспечить соблюдение данного показателя качества рекомендуется применять отдельное питание для электроприемников сети освещения и силовых нагрузок.

Доза колебаний напряжения, которая является аналогом предыдущего показателя качества электрической энергии, они взаимозаменяемы. Нормирование дозы колебаний в электросетях проводится только при наличии в них определенных приборов.

Длительность провала напряжения. Провалом является резкое уменьшение напряжения, после чего оно обратно восстанавливается до своей изначальной, либо приближенной величины спустя определенный временной промежуток. Длительность провала отражает время от начального момента провала до момента его восстановления. Продолжительность провала может быть как в один период, так и в десятки секунд. Согласно ГОСТ этот параметр может достигать 30 секунд в сетях до 20 000 Вольт.

Импульсное напряжение схоже по описанию провалу, однако его продолжительность иная, и составляет от нескольких микросекунд до десяти миллисекунд. Допустимые значения данного показателя качества электроэнергии стандартом не нормируется.

Характеристиками напряжения также являются четыре коэффициента: гармонической составляющей, несинусоидальности кривой, нулевой и обратной последовательности.

Характеристикой частоты выступает отклонение. Наибольшее отклонение частоты возникает, если нагрузки изменяются медленным темпом, а резерв мощности невелик. Нормальная допустимая величина отклонения ± 0,2 Герц, максимальная ± 0,4 Герц. В послеаварийных режимах допустим интервал отклонения от + 0,5 до — 1 Герц (не более девяноста часов в году).

Дополнительные показатели качества электроэнергии являются формой записи основных. Сюда входят 3 следующих коэффициента, характеризующих напряжение: амплитудной модуляции, а также небаланса фазных и междуфазных напряжений.

Продолжительность спада входной величины

Измеренный параметр описывают как провал напряжения, укладывающийся в границы ±0,1U_nominal за интервал в несколько десятков миллисекунд. Для сети 220 В изменение показателя допускается до 22 В, если 380 В, то не более 38 В. Глубина спада рассчитывается согласно выражению: ΔU_n=(U_nominal−U_min)/U_nominal.

Продолжительность спадла рассчитывается согласно выражению: Δt_n=t_k−t_n, здесь t_k — это период, когда напряжение уже восстановилось, а t_n — точка начала отсчета, момент когда произошло падение напряжения.

Контроль качества электроэнергии обязывает учитывать частоту появления провалов, определяемую по формуле: Fn=(m(ΔU_n,Δt_n)/M)*100%. Здесь:

• m(ΔU_n,Δt_n) определяется как количество спадов в установленное время при глубине ΔU_n и продолжительности Δt_n.
• М — общий счет спадов в течение выбранного периода.

Проблема № 2. Наличие высших гармоник в сети

Качество электроэнергии определяется амплитудой, частотой и наличием искажения формы сигнала, идущего от системы электроснабжения. «В то время как первые две характеристики в значительной мере зависят от электроснабжающей компании, форма волны (напряжения или тока) искажается потребителями.  Ведь в настоящее время большинство типовых нагрузок на предприятиях являются нелинейными, например, работа частотно-регулируемых приводов, выпрямителей, ИБП, компьютеров, энергосберегающих ламп и т.д. Вышеперечисленные устройства потребляют ток источника, не соответствующий форме волны напряжения, в итоге она искажается высшими гармониками», — поясняет Виталий Побокин, главный инженер проектов компании

«Электромонтажгрупп». Высшие гармоники являются растущей проблемой для поставщиков и потребителей электроэнергии, так как ведут к:

• снижению эффективности и увеличению энергопотребления;
• перегреву кабелей, электродвигателей и трансформаторов;
• повреждению чувствительного оборудования;
• срабатыванию автоматических выключателей;
• выгоранию предохранителей;
• преждевременному износу оборудования;
• перегреву и выходу из строя конденсаторов;
• появлению сильных токов в нейтральных проводах;
• возникновению резонанса в сети;
• отказу в подключении к электроснабжающим сетям в случае слишком высокого уровня гармоник.

На сегодняшний день самым современным и эффективным решением по компенсации высших гармонических составляющих является использование активных фильтров (АФГ). Они строятся, например, на модулях IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП).

Принцип применения АФГ прост: силовая электроника используется для генерирования гармонических токов, в противофазе тока гармоник, вызванных работой нелинейных нагрузок, таким образом, чтобы синусоида сохраняла максимально правильную форму.

Рис. 3. Схема подключения активного фильтра гармоник

При помощи трансформаторов тока измеряется ток нагрузки, который анализируется ЦСП для определения картины спектра гармоник. Полученные данные используются генератором тока для производства и инжекции в сеть именно такой гармонической величины (по амплитуде, форме и фазе), которая необходима для компенсации искажений нагрузки в следующем цикле синусоиды тока.

Так как активный фильтр работает на основе данных, получаемых от трансформатора, оборудование динамически адаптируется к изменениям в гармониках нагрузки. В связи с тем, что процессы анализа и генерирования контролируются программным обеспечением, устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник.

Рис. 4. Активные фильтры гармоник

Что влияет на характеристики питающей сети?

Качество электроэнергии зависит от огромного числа факторов, изменяющих показатели сверх установленных нормативами пределов. Так, напряжение может оказаться завышенным из-за аварии на подстанции. Заниженные значения появляются в вечернее время суток или в летний сезон, когда люди возвращаются домой и включают телевизоры, электрические плиты, сплит-системы.

Качество электроэнергии согласно ГОСТам может незначительно колебаться. В очень плохих питающих сетях потребителям приходится пользоваться стабилизаторами напряжения. Контроль над характеристиками возложен на Роспотребнадзор, куда можно обращаться при возникающих несоответствиях.

Качество электроэнергии может зависеть от следующих факторов:

• Суточных колебаний, связанных с неравномерным подключением потребителями либо с влиянием приливов и отливов на морских станциях.
• Изменениями воздушной среды: влажности, образование льда на питающих проводах.
• Изменением ветра, когда питание вырабатывают ветровики.
• Качеством проводки, со временем она изнашивается.