Характеристика показників якості електроенергії

Відхилення напруги. Відхилення напруги від номінальних значень відбувається через добові, сезонні і технологічні зміни електричного навантаження споживачів; зміни потужності компенсуючих пристроїв; регулювання напруги генераторами електростанцій і на підстанціях енергосистем; зміни схеми і параметрів електричних мереж.

Відхилення напруги відзначається різницею між діючим U та номінальним значеннями напруги

( )

або у відсотках

. ( )

Стале (усталене) відхилення напруги рівне

, ( )

де – стале (діюче) значення напруги за інтервал усереднення.

В електричних мережах однофазного струму діюче значення напруги визначається як величина напруги основної частоти без урахування вищих гармонійних складових напруги, а в електричних мережах трифазного струму – як діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти .

Стандартом нормуються відхилення напруги для основних приймачів електричної енергії. Нормально допустимі і гранично допустимі значення сталого відхилення напруги рівні відповідно і % від номінального значення напруги і в точках загального приєднання споживачів електричної енергії повинні бути встановлені в договорах енергопостачання для годин мінімуму і максимуму навантажень в енергосистемі з урахуванням необхідності виконання норм стандарту на виводах приймачів електричної енергії відповідно до нормативних документів.

Встановлено норми відхилення напруги: для асинхронних двигунів промислових підприємств -5...+10%; для освітлювальних приладів на промислових підприємствах, громадських будівель та прожекторах зовнішнього освітлення -2,5...+5%; для решти електроприймачів ±5%.

Вимоги Правил технічної експлуатації (ПТЕ) до електропостачання залізничної автоматики «Номінальна напруга змінного струму на пристроях СЦБ повинна бути 110, 220 або 380 В. Відхилення від зазначених величин номінальної напруги допускається в бік зменшення не більше 10 %, а в бік збільшення – не вище 5 %» не суперечить ГОСТу 13109-97 і повинні враховуватися при укладанні договорів на користування електричною енергією між енергопостачальною організацією та залізницею.

В реальних умовах експлуатації вхідної напруги для пристроїв електроживлення залізничної автоматики є напруга промислових, спеціалізованих або побутових мереж 220 чи 380 В. На залізничному транспорті якість напруги забезпечується відповідними підрозділами служб електропостачання.

Відхилення напруги від номінального значення істотно впливає на роботу окремих елементів схем СЦБ. При значних відхиленнях напруги порушується регулювання рейкових кіл, знижується надійність роботи пристроїв. Наприклад, при збільшенні напруги в порівнянні з номінальною всього на 10 % термін служби світлофорних ламп скорочується з 1000 до 250 годин, тобто в 4 рази. Зниження напруги в порівнянні з номінальною на 20 % зменшує видимість сигналу світлофора на 30 %, що істотно відбивається на безпеці руху поїздів.

Коливання напруги. Коливання напруги викликається різкою зміною навантаження на даній ділянці електричної мережі, наприклад, вмиканням асинхронного двигуна з великою кратністю пускового струму, технологічними установками зі швидкозмінним режимом роботи, які супроводжуються поштовхами активної та реактивної потужності, такими, як привід реверсивних прокатних станів, дугові сталеплавильні печі, зварювальні апарати та ін.

Коливання напруги характеризується двома показниками:

- розмахом зміни напруги;

- дозою флікера.

Розмах зміни напруги обчислюють за формулою

, ( )

де - значення наступних один за одним екстремумів (або екстремум і горизонтальної ділянки) огинаючої середньоквадратичних значень*) напруги, відповідно до рис. 10.3.

Частота повторення змін напруги (1/с, 1/хв) визначається виразом:

, ( )

де т – число змін напруги за час Т;

Т – інтервал часу вимірювання, що приймається рівним 10 хв.

Якщо дві зміни напруги відбуваються з інтервалом, меншим 30 мс, то їх розглядають як одну.

Інтервал між часом змінами напруги

. ( )

Оцінка допустимості розмахів зміни напруги (коливань напруги) здійснюється за допомогою кривих залежності допустимих розмахів коливань від частоти повторень змін напруги або інтервалу часу між подальшими змінами напруги.

_____________________

*) Огинаючою середньоквадратичних значень напруги називається ступінчаста числова функція, створена середньоквадратичними значеннями напруги, визначеними на кожному півперіоді основної частоти.

Рисунок. 10.3. Коливання напруги (розмахи напруги)

Гранично допустимі значення розмаху зміни напруги визначаються в точці загального поєднання до електричних мереж по кривих, наведених в ГОСТ. Ці залежності мають строгий енергетичний сенс – величини, пропорційні квадратам їх ординат, характеризують середнє значення потужності коливань і пропорційне йому значення коливань світлового потоку (доза флікера), безболісно сприйманим зоровим аналізатором людини протягом 10...15 хв.

ЯЕ в точці загального приєднання при періодичних коливаннях напруги, що, мають форму меандра (прямокутну), вважають відповідним вимогам стандарту, якщо виміряне значення розмаху змін напруги не перевищує для відповідної частоти повторення змін напруги або інтервалу між змінами напруги .

Граничне допустиме значення суми сталого відхилення напруги і розмаху змін напруги в точках приєднання до електричних мереж напругою 0,38 кВ дорівнює % від номінальної напруги.

Доза флікера – це міра сприйнятливості людини до дії коливань світлового потоку, викликаних коливаннями напруги в живлячій мережі, за встановлений проміжок часу.

Стандартом встановлюється короткочасна ( ) і тривала доза флікера ( ) (короткочасну визначають на інтервалі часу спостереження, рівному 10 хв, тривалу – на інтервалі 2 год). Початковими даними для розрахунку є рівні флікера, вимірювані за допомогою флікерметра – приладу, в якому моделюється крива чутливості (амплітудно-частотна характеристика) органу зору людини.

ЯЕ по дозі флікера відповідає вимогам стандарту, якщо короткочасна і тривала доза флікера, визначені шляхом вимірювання протягом 24 год або розрахунку, не перевищують гранично допустимих значень: для короткочасної дози флікера – 1,38 і для тривалої – 1,0 (при коливаннях напруги з формою, відмінною від меандра).

Гранично допустиме значення для короткочасної дози флікера в точках загального приєднання споживачів електроенергії, що мають у своєму розпорядженні лампи розжарювання, в приміщеннях, де потрібна значна зорова напруга, рівня 1,0, а для тривалої – 0,74, при коливаннях напруги з формою, відмінних від меандра.

Несинусоїдність напруги. В процесі виробництва, перетворення, розподілу та споживання електроенергії мають місце спотворення форми синусоїдних струмів і напруг. Джерелами спотворень є синхронні генератори електростанцій, силові трансформатори, що працюють при підвищених значеннях магнітної індукції в осерді (при підвищеній напрузі на їхніх виводах), пристрої випрямлення змінного струму в постійний і ЕП з нелінійними вольт-амперними характеристиками (або нелінійні навантаження).

Спотворення, створювані синхронними генераторами і силовими трансформаторами, малі і не мають істотного впливу на систему електропостачання та на роботу ЕП. Головною причиною спотворень є вентильні перетворювачі, сталеплавильні електродугові та руднотермічні, установки дугового і контактного зварювання, перетворювачі частоти, індукційні печі, ряд електронних технічних засобів (телевізійні приймачі, ПЕОМ), газорозрядні лампи та ін. Електронні приймачі електроенергії та газорозрядні лампи створюють при своїй роботі невисокий рівень гармонійних спотворень на виході, але загальна кількість таких ЕП велика.

Несинусоїдні функції (рис. 10.4.) можна представити у вигляді суми постійної складової та нескінченного ряду синусоїдних величин з кратними частотами (гармонійними складовими, або гармоніками).

Несинусоїдність напруги характеризується наступними показниками:

- коефіцієнтом спотворення синусоїдності кривої напруги;

- коефіцієнтом п-ої гармонійної складової напруги.

Коефіцієнт спотворення кривої напруги визначається виразом (у відсотках)

, ( )

де – діюче значення п-ої гармонійної складової напруги;

п – номер гармонійної складової напруги;

N – порядок останньої з гармонійних складових напруги, що враховується стандартом, встановлюється N=40;

– діюче значення напруги основної частоти.

Допускається визначати за виразом

, ( )

де – номінальна напруга мережі.

Рисунок 10.4. Форма несинусоїдної напруги

Коефіцієнт п-ої гармонійної складової напруги (у відсотках)

. ( )

Допускається обчислювати за виразом

. ( )

Для обчислення необхідно визначити рівень напруги окремих гармонік, що генеруються нелінійним навантаженням.

Для розрахунку необхідно зазделегідь визначити струм відповідної гармоніки, який залежить не тільки від електричних параметрів, але й від виду нелінійного навантаження.

Нормально допустимі і гранично допустимі значення та в точці загального приєднання до електричних мереж з різною номінальною напругою встановлені ГОСТом.

Гранично допустиме значення коефіцієнта п-ої гармонійної складової напруги обчислюють за формулою

, ( )

де – нормальне допустиме значення коефіцієнта п-ої гармонійної складової напруги, визначене ГОСТом.

Несиметрія напруги. Найпоширенішими джерелами несиметрії напруги в трифазних системах електропостачання є споживачи електроенергії, симетричне багатофазне виконання яких або неможливе, або недоцільне з техніко-економічних міркувань. До таких установок відносяться індукційні та дугові електричні печі, тягові навантаження залізниць, що працюють на змінному струмі, агрегати електрозварювання, спеціальні однофазні навантаження, освітлювальні установки.

Несиметричні режими напруги в електричних мережах мають місце також в аварійних ситуаціях – при обриві фази або несиметричних коротких замиканнях.

Несиметрія напруг характеризується наявністю в трифазній електричній мережі напруг зворотної або нульової послідовності, значно менших за величиною від складових напруги прямої послідовності.

Несиметрія трифазної системи напруг виникає в результаті накладання на систему прямої послідовності напруг зворотної послідовності, що призводить до змін абсолютних значень фазних і лінійних напруг.

Крім несиметрії, що викликається напругою системи зворотної послідовності, може виникати несиметрія від накладання на систему прямої послідовності напруг системи нульової послідовності. В результаті зсуву нейтралі трифазної системи виникає несиметрія фазних напруг при збереженні симетричної системи лінійних напруг.

Несиметрія напруг характеризується наступними показниками:

- коефіцієнтом несиметрії напруг по зворотній послідовності;

- коефіцієнтом несиметрії напруг по нульовій послідовності.

Коефіцієнтом несиметрії напруг по зворотній послідовності (у відсотках)

, ( )

де – діюче значення напруги зворотної послідовності основної частоти трифазної системи напруг;

– діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти.

Допускається обчислювати виразом:

, ( )

де – номінальне значення лінійної напруги мережі.

Коефіцієнт несиметрії напруг по нульовій послідовності

, ( )

де – діюче значення напруги нульової послідовності основної частоти трифазної системи напруг.

Допускається обчислювати за формулою

, ( )

де – номінальне значення фазної напруги.

Вимірювання коефіцієнта несиметрії напруг по нульовій послідовності проводять у чотирипровідній мережі.

Нормально допустиме і гранично допустиме значення коефіцієнта несиметрії напруг по зворотній послідовності в точці загального приєднання до електричних мереж рівні 2,0 і 4,0 %.

Нормовані значення коефіцієнта несиметрії напруг по нульовій послідовності в точці загального приєднання до чотирипровідних електричних мереж з номінальною напругою 0,38 кВ також рівні 2,0 і 4,0 %.

Відхилення частоти. Відхилення частоти – різниця між дійсним і номінальним значенням частоти, Гц

( )

або у відсотках

. ( )

Стандартом встановлюються нормально і гранично допустимі значення відхилення частоти рівні Гц і Гц відповідно.

Провал напруги. До провалів напруги відноситься раптова значна зміна напруги в точці електричної мережі, нижча за рівень 0,9 , за яким слідує відновлення напруги до первинного або близького до нього рівня через проміжок часу від десяти мілісекунд до декількох десятків секунд (рис. 10.5).

Характеристикою провалу напруги є його тривалість – , рівна:

, ( )

де і – початковий та кінцевий моменти часу провалу напруги.

Провал напруги характеризується також глибиною провалу напруги – різницею між номінальним значенням напруги і мінімальним діючим значенням напруги, вираженою в одиницях напруги або у відсотках від його номінального значення. Провал напруги обчислюється за виразами:

( )

або у відсотках

. ( )

Рисунок 10.5. Провал напруги

Гранично допустиме значення тривалості провалу напруги в електричних мережах напругою до 20 кВ включно рівне 30 с. Тривалість провалу напруги в будб якій точці приєднання, що автоматично усувається, до електричних мереж визначається витримками часу релейного захисту і автоматики.

Імпульс напруги і тимчасова перенапруга. Спотворення форми кривої живлячої напруги може відбуватися за рахунок появи високочастотних імпульсів при комутації у мережі, роботі розрядників і т.ін. Імпульс напруги – риска зміна напруги в точці електричної мережі, за якою слідує відновлення напруги до первинного або близького до нього рівня. Імпульсна напруга у відносних одиницях визначається формулою

, ( )

де – значення імпульсної напруги.

Амплітудою імпульсу називається максимальне миттєве значення імпульсу напруги. Тривалість імпульсу - це інтервал часу між початковим моментом імпульсу і моментом відновлення миттєвого значення напруги до первинного або близького до нього рівня.

Показник – імпульсна напруга – стандартом не нормується.

Тимчасова перенапруга – підвищення напруги в точці електрисної мережі вище 1,1 тривалістю більше 10 мс, що виникають у системах електропостачання при комутаціях або коротких замиканнях.

Тимчасова перенапруга характеризується коефіцієнтом тимчасової перенапруги - величина рівна відношенню максимального значення огинаючої амплітудних значень напруги за час існування тимчасової перенапруги до амплітуди номінальної напруги мережі:

. ( )

Тривалістю тимчасової перенапруги називається інтервал часу між початковим моментом виникнення її та моментом зникнення

. ( )

Коефіцієнт тимчасової перенапруги стандартом також не нормується.

В середньому за рік у точці приєднання можливе виникнення близько 30 тимчасових перенапруг. При обриві нейтрального провідника в трифазних електричних мережах напругою до 1 кВ, що працюють із глухозаземленою нейтраллю виникають тимчасові перенапруги між фазою і землею. Рівень таких перенапруг при значній несиметрії фазних навантажень може досягати значень лінійної напруги, а тривалість – декількох годин.