Качество электроэнергии в системах электроснабжения

Электроэнергия как товар обладает целым рядом специфических свойств. Она непосредственно используется при создании других видов продукции и оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий. Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается от качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприемников (ЭП). Поэтому если ЭП работает неудовлетворительно, и в каждом конкретном случае качество электроэнергии соответствует установленным требованиям, то причину следует искать в качестве изготовления ЭП. Если параметры КЭ не соответствуют требованиям, то предъявляются претензии поставщику – электроснабжающей организации.

Качество электроэнергии на месте производства не гарантирует ее качества в точке присоединения потребителя. Характер самого производственного процесса существенно влияет на параметры КЭ, и в точке присоединения оно может быть различно до и после включения потребителя. Качество электроэнергии является составляющей электромагнитной совместимости, характеризующей электромагнитную среду. Электроприемники и аппараты, присоединенные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных номинальных параметрах: номинальной частоте, номинальном напряжении, номинальном токе, изменяющемся по синусоидальному закону. В системе электроснабжения всегда возможно отклонение от этих требований, определяемых показателями качества электрической энергии (ПКЭ).

Качество электрической энергии– это совокупность ее характеристик по частоте и напряжению, называемых показателями качества электроэнергии (ПКЭ), определяющих воздействие электроэнергии на электрооборудование, электрические аппараты и приборы, подключенные к электрической сети, оцениваемое по соответствию этих ПКЭ установленным требованиям. В терминах электромагнитной совместимости ПКЭ – уровень электромагнитной помехи, создаваемой кондуктивным путем в электрической сети в едином и неразрывном процессе производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) характеризует не только взаимодействие между электрическими приборами, аппаратами, электрооборудованием и электромагнитной средой, но и взаимодействия этих технических средств между собой. Под ЭМС понимают способность электротехнических средств или их элементов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны.

Если ЭМС не обеспечена, т.е. отдельные элементы электротехнических средств или прибор в целом не обладают заданной помехоустойчивостью к внутренним (между элементами) и внешним (по отношению к прибору) помехам, то тем самым создаются условия для:

· функциональных нарушений с большими или меньшими последствиями, связанными с отказами, с сокращением срока службы и выходом из строя оборудования, браком продукции, авариями, ложными срабатываниями защиты и автоматики и т. п.;

· ухудшения качества электроэнергии;

· ухудшения электромагнитной обстановки в окружающем пространстве;

· поражения обслуживающего персонала.

Предпосылкой для этого являются неучтенные ЭМП или ЭМП, защита от которых не предусмотрена.

Электромагнитная помеха – это случайное электромагнитное воздействие, способное вызывать в электротехническом устройстве нарушение функционирования, отказ, разрушение. Помеха может проявляться как ток, напряжение, электромагнитное поле. В практике различают кондуктивныеи полевые ЭМП.

К кондуктивным относятся помехи, распространяющиеся по проводам, в частности по электрической сети.

Полевые помехи распространяются через окружающее пространство. Помехи создаются источниками помех, которыми могут быть как электротехнические средства, так и электротехнологические процессы. Так, например, воздушная линия высокого напряжения (средство) создает полевые помехи при передаче электроэнергии (технологический процесс), влияющие на линии связи. Напряженность электрического и магнитного полей вокруг линии электропередачи характеризует электромагнитную обстановку. Преобразователи тяговой подстанции электрифицированного транспорта создают кондуктивные помехи в электрической сети, от которой они питаются. Искажения синусоидальной формы напряжения под воздействием протекающих по электрической сети токов высших гармоник характеризуют электромагнитную обстановку в этой сети.

Важной характеристикой электромагнитной обстановки является уровень ЭМС.

Уровень ЭМС – это установленное значение ЭМП, при котором с наибольшей вероятностью гарантируется нормальное взаимодействие (функционирование) всех технических средств, являющихся как источниками помех, так и средствами, восприимчивыми к этим помехам.

Так, нормированные (допустимые) значения ПКЭ являются теми уровнями ЭМС электрической сети, при которых гарантируется нормальное функционирование любых электротехнических средств, подключенных к этой сети, если эти ПКЭ не превосходят допустимых значений. С другой стороны, электротехнические средства характеризуются своими допустимыми уровнями ЭМС, которые определяют их помехоустойчивость, при которой и гарантируется нормальное функционирование этих средств. Очевидно, уровни помехоустойчивости должны быть выше значений ПКЭ в электрической сети.

Уровень ЭМП может достигнуть порогового значения, превышающего уровень помехоустойчивости конкретного устройства, что вызовет нарушение его функционирования (отказ). Такое пороговое значение называется помеховосприимчивостъю. Нарушение функционирования может быть как обратимым, так и необратимым. В первом случае, после снятия нарушающего воздействия или снижения уровня ЭМП, устройство восстановит свои функциональные возможности. Во втором случае, очевидно, под воздействием помехи произошли необратимые изменения в элементах устройства, в результате чего устройство утратило свои функциональные возможности.

Многие виды кондуктивных помех приводят к дополнительному нагреву электрооборудования или его элементов под воздействием повышенного напряжения, токов высших гармоник, токов обратной последовательности. Дополнительный нагрев приводит к нарушению изоляции, разрушению конструктивных элементов электрооборудования и, таким образом, к необратимому нарушению функционирования. Однако эффект от дополнительного нагрева проявляется не сразу, а со временем. Поэтому если воздействие рассматриваемых помех было кратковременным, то после их устранения устройство не утратит своих функциональных возможностей. Таким образом, время воздействия ЭМП также следует отнести, наряду с уровнями, к характеристикам ЭМС. Так, например, нормально допустимые уровни ЭМС электрической сети, ее ПКЭ, могут быть превышены, но не более чем в течение 72 мин за сутки, что составляет 5% от 24 час.

На рис. 6.1 приведены уровни ЭМС электрической сети 1 и электроприемника, подключенного к этой сети. При этом помехоустойчивость электроприемника 2 и его помеховосприимчивость 3 остаются постоянными, а уровень помех в сети 1 возрастает. Очевидно, что в случае, показанном на рис. 6.1.а, нормальное функционирование электроприемника обеспечено. В случае, приведенном на рис. 6.1.б, нормальное функционирование электроприемника может быть обеспечено, если длительность воздействия ЭМП ограничена по времени. И в случае, показанном на рис. 6.1.в, нормальное функционирование невозможно.

Рис. 6.1. Характеристика электромагнитной среды по уровням ЭМС

Качество электроэнергии учитывает все аспекты ЭМС, но характеризует только электрическую сеть. Установленные для нее допустимые уровни ЭМС называют показателями качества электроэнергии.

Нормативные значения ПКЭ и их перечень установлены ГОСТ 13109-97, который является ориентиром для разработчиков аппаратуры и электрооборудования, подключаемого к сети, в части их помехоустойчивости, с одной стороны, и уровня вносимых ими помех, с другой. Если уровень помехоустойчивости этих технических средств выше предельно допустимых значений ПКЭ в сети, ЭМС будет обеспечена.

Фактические значения ПКЭ должны контролироваться с помощью специализированных средств измерения в условиях эксплуатации, а соответствующие характеристики электроприемника – путем необходимых испытаний при их разработке и производстве.

Все 11 ПКЭ, которые установлены ГОСТ 13109-97, могут быть условно разделены на три группы.

К первой группе можно отнести отклонения частоты и отклонения напряжения, которые связаны с особенностями технологического процесса производства и передачи электроэнергии. Качество регулирования отклонений частоты и напряжения определяет их уровень в электроэнергетической системе.

Ко второй группе можно отнести ПКЭ, характеризующие несинусоидальностьформы кривой напряжения, несимметриюи колебания напряжения. Источниками этих искажений (эмитентами) являются, главным образом, электроприемники. Для координации ЭМП, вносимых такими электроприемниками, необходимо применение технических мероприятий как на этапе разработки и производства, так и в процессе их эксплуатации.

К третьей группе можно отнести ПКЭ, характеризующие случайные электромагнитные явления и электротехнические процессы, неразрывно связанные с технологическим процессом производства, передачи и потребления электроэнергии. К ним относятся провалы напряжения, перенапряжения и импульсы напряжения, которые возникают в системе электроснабжения в большинстве случаев в результате коммутаций электрооборудования или разрядов молнии на линию электропередачи.

Показатели качества электроэнергии первых двух групп нормируются ГОСТ, и на них установлены два допустимых уровня: нормальный и предельный. ПКЭ третьей группы не нормируются, однако статистическая информация о них имеет большое значение для нормальной эксплуатации электроэнергетической системы.

Отклонение частоты. Частота f является общесистемным параметром режима ЭЭС и определяется балансом активной мощности. При возникновении дефицита генерируемой мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности. При избытке генерируемой мощности, наоборот, частота повышается.

Частота переменного тока в электроэнергетической системе определяется частотой вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц). В каждый момент времени в ЭЭС должно быть обеспечено равенство между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой, с учетом потерь мощности в элементах электроэнергетической системы. Регулирование частоты в ЭЭС возможно только при наличии резерва активной мощности на электростанциях. Ввод резервной активной мощности возможен в ЭЭС за счет дополнительного расхода энергоносителя первичного двигателя (турбины) генератора.

Качество электроэнергии по частоте характеризуется отклонением частоты Df:

,

где f_ном – номинальное значение частоты, Гц;

f_у – фактическое установившееся (измеренное) значение частоты, Гц.

Отклонение напряжения. Напряжение в узлах электроэнергетической системы может быть различным и определяется балансом реактивной мощности в этих узлах. Отличие фактического установившегося напряжения U_у в заданной точке сети от его номинального значения U_ном характеризуется отклонением напряжения DU_у. Отклонения напряжения, определяемые в процентах от номинального значения, устанавливаются в том или ином узле ЭЭС в зависимости от параметров сети и нагрузки узла:

.

Обеспечение требований по допустимым отклонениям напряжения в каждой точке сети без специальных регулирующих устройств возможно только тогда, когда суммарные потери напряжения относительно невелики. Такие условия могут быть в сетях относительно небольшой протяженности с малым числом промежуточных трансформаций и небольшой нагрузкой.

Современные ЭЭС характеризуются большой протяженностью линий различных номинальных напряжений и многоступенчатой трансформацией. Поэтому передача электроэнергии от ее источников до приемников, когда суммарные потери напряжения велики, невозможна без специальных средств регулирования напряжения.

В распределительных электрических сетях отклонения напряжения обычно определяются в характерных точках. Это – точки, удаленные от центров питания (ЦП), оборудованных трансформаторами с регулируемым под нагрузкой коэффициентом трансформации.

Колебания напряжения. Если отклонения напряжения создаются под воздействием относительно медленных изменений нагрузки, определяемых ее графиком, то быстрые изменения нагрузки создают колебания напряжения. Колебания напряжения определяются по огибающей действующих или амплитудных значений напряжения и характеризуются размахами dU_t и частотой повторения изменений напряжения или интервалами между изменениями напряжения. Размах изменения напряжения оценивается в процентах на каждом полупериоде основной частоты как

,

где U_i2 и U_i1 – значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка.

Еще одной характеристикой колебаний напряжения является доза фликера. Необходимость введения ПКЭ, характеризующего колебания напряжения, возникла в результате обнаружения воздействия этого явления на зрение человека, вызывающего физиологическую усталость от мерцания светового потока, создаваемого источниками света. Фликер обладает кумулятивным (накапливающимся) воздействием, эффект от которого тем больше, чем больше размах колебаний и частота их повторения.

Процесс зрительного восприятия фликера, создаваемого колебаниями прямоугольной формы, находится в диапазоне частот 0 < f < 35 Гц и размахов 0 < dU_t < 10 % номинального напряжения. Экспериментально доказано, что наиболее раздражающее действие фликера наступает при d = 8,8 Гц, когда dU_t = 0,29 %.

Источниками колебания напряжения в электроэнергетических системах являются мощные электроприемники, характеризующиеся резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности. Для таких электроприемников характерны следующие условия электропотребления: их питание осуществляется от шин напряжением 35–220 кВ, а колебания потребляемой активной и реактивной мощности в диапазоне 10–130 % происходят со скоростью нарастания до 200 MB А/с. Как правило, такие электроприемники имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

К ним относятся в приоритетном порядке по степени воздействия на ухудшение качества электроэнергии: дуговые сталеплавильные печи, рудно-термические печи, электродвигатели большой мощности (в частности, прокатных станов), индукционные печи, машины контактной сварки, преобразователи электролизных установок. Так, при работе дуговой печи ДСП-100 на напряжении 35 кВ в период расплава размахи dU_t в сети достигают 4,3– 8,2 % при cosj = 0,1– 0,3. При этом частота колебаний напряжения составляет 8,3 Гц.

Несинусоидальность напряжения. Значительную долю нагрузки в электрической сети представляют электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такие электроприемники потребляют ток, форма которого существенно отличается от синусоидальной. Протекание несинусоидального тока по элементам электрической сети создает в них падения напряжения, определяемые кривой тока, что и является причиной искажения синусоидальной формы напряжения в той или иной точке (узле) сети.

Электроэнергия – особый продукт производства. Особенность ее состоит в том, что в любой момент времени «объем» производства электроэнергии равен «объему» потребления, включая потери. Этот процесс характеризуется балансом мощности, который должен обеспечить заданный режим системы электроснабжения по частоте и напряжению.

Отклонение частоты влияет на работу прежде всего вращающихся машин, доля которых в нагрузке системы составляет 50–60 %. Вместе с тем снижение частоты приводит и к снижению частоты вращения электродвигателей и снижению производительности вращаемых ими механизмов. Одновременно со снижением потребляемой активной мощности происходит рост потребляемой реактивной мощности, что способствует снижению напряжения в узлах системы электроснабжения. В статических аппаратах, например в трансформаторах, со снижением частоты возрастает ток намагничивания и, следовательно, растут потери в стали. Если пониженная частота поддерживается в результате ограниченного резерва активной мощности, то при резком и значительном увеличении нагрузки может возникнуть аварийная ситуация, требующая экстренной разгрузки системы с целью восстановления частоты в допустимых для нормальной работы пределах. Эта операция осуществляется средствами автоматической частотной разгрузки (АЧР). Предельным случаем нарушения баланса активной мощности является потеря синхронизма включенных в электроэнергетической системе электростанций или нарушение устойчивой работы системы в целом.

Что же касается отклонений напряжения, то они влияют, прежде всего, на потери электроэнергии и мощности. Эти потери пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Таким образом, превышение допустимых отклонений напряжения в сторону их увеличения приводит к дополнительному нагреву электроприемника и, следовательно, сокращению срока его службы. Снижение напряжения может привести к нарушению функционирования электроприемники. Чувствительны к снижению напряжения все электроприемники.

Особенно чувствительны к отклонениям напряжения источники освещения. Так, лампы накаливания при dU = -10 % снижают световой поток на 40 %, правда, при этом возрастает срок их службы. Но при dU = +10 % световой поток возрастает тоже на 40 % при сокращении срока службы в 4 раза. Газоразрядные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. В помещениях, оснащенных такими источниками, освещенность снижается на 10– 15 % при dU = -(5– 7) %, но при dU = -10 % лампы начинают мерцать и при dU = -20 % гаснут.

Несмотря на то, что отклонения частоты и напряжения являются результатом единого процесса производства и передачи электроэнергии, поддержание их в допустимых пределах возлагается на энергоснабжающую организацию, которая только и располагает средствами регулирования напряжения и частоты.

Снижение эффективности функционирования электроприемников происходит и при выходе за допустимые пределы ПКЭ, характеризующих несинусоидальность, несимметрию и колебания напряжения. Это проявляется в увеличении потерь мощности и электроэнергии, сокращении срока службы электроприемников, увеличении капиталовложений в систему электроснабжения, увеличении потребления реактивной мощности, нарушении технологического процесса производства, отказах аппаратуры, приборов, электрооборудования и т. п. Наиболее значимо это проявляется в увеличении потерь электроэнергии в таких видах электрооборудования, как асинхронные двигатели, синхронные машины, трансформаторы, конденсаторные батареи, осветительные приборы, линии электропередачи.