Обеспечение качества электроэнергии
Технические средства контроля качества электроэнергии
Влияние качества электроэнергии на функционирование технических средств
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 ЭП. Чувствительны к снижению напряжения все ЭП. Так, для асинхронных двигателей (АД) цепочка последствий начинается со снижения электромагнитного момента, что приводит к росту скольжения (снижению числа оборотов) и снижению производительности, сопровождаемому дополнительным нагревом АД. При значительном снижении напряжения затрудняются условия пуска АД, возрастает пусковой ток, увеличивается время разворота АД до номинальной частоты вращения, что, в свою очередь, способствует дополнительному снижению напряжения.
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 ЭП 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 ЭП, 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 [6.3].
К таким средствам относятся приборы для измерения ПКЭ. До настоящего времени парк таких приборов был невелик [6.4].
Одно из основных требований, предъявляемых к приборам, — их сертификация. Это относится и к зарубежным приборам. Сертификация приборов для измерения ПКЭ является компетенцией Госстандарта России. Требования к самим приборам определяются рядом стандартов, одним из которых является ГОСТ 13109-97. Именно этим стандартом определяются номенклатура измеряемых ПКЭ, пределы допустимых погрешностей измерения, алгоритмы измерения, а также процедура контроля при оценке КЭ. При сертификации электроэнергии необходимо контролировать выполнение требований именно этого ГОСТ по всем нормируемым ПКЭ.
Согласно ГОСТ измерения должны проводиться 24 ч непрерывно, а оценка КЭ производиться по результатам статистически обработанных измерений. За сутки прибор должен произвести 1440 измерений отклонений напряжения, 4320 измерений отклонений частоты и 28 800 измерений остальных ПКЭ (кроме колебаний напряжения, которые оцениваются на 10-минутных интервалах). Такое количество измерений и подлежит статистической обработке, а их интегральные значения — сравнению с нормально и предельно допустимыми значениями за каждые сутки измерений. Очевидно, что такие измерения должны быть автоматизированы, что и достигается применением микропроцессорных программируемых средств измерения.
Современные приборы способны в реальном времени измерять и регистрировать в энергонезависимой памяти ПКЭ по напряжению и току, а также мощности по высшим гармоникам и обратным последовательностям. Они предназначены для измерения в трехфазных сетях напряжением 0,4; 6, 10, 35 и 110 кВ и выше. Приборы могут использоваться как для контроля КЭ, так и для определения источника искажения и вносимого им вклада в искажения напряжения, обладают высоким уровнем помехоустойчивости.
Система электроснабжения является электромагнитной средой, по которой распространяются кондуктивные ЭМП, а электроснабжающая организация — субъектом этой системы, поставляющим электроэнергию потребителю, следовательно, в соответствии с Гражданским кодексом РФ (ст. 542) электроснабжающая организация и должна позаботиться об обеспечении КЭ.
Какими же правами в этом отношении она располагает, какими механизмами обеспечения КЭ?
Энергоснабжающая организация определяет и контролирует технические условия (ТУ) присоединения потребителя к электрической сети.
В ТУ особо оговариваются требования к допустимому уровню помех, которые присоединяемый потребитель может вносить в точке его подключения по всем нормируемым ПКЭ. Этот так называемый допустимый вклад потребителя всегда меньше нормативного значения ПКЭ, установленного ГОСТ. Выполнение этого условия должно обязательно контролироваться с помощью измерительных приборов.
В дальнейшем аналогичные требования переносятся в договор между энергоснабжающей организацией и потребителем. В договоре первая сторона обязуется поддерживать ПКЭ на уровне, соответствующем ГОСТ 13109-97, при выполнении второй стороной требований по допустимому вкладу. При этом в том, что касается отклонений частоты и напряжения, энергоснабжающая организация всю ответственность берет на себя и ограничений по КЭ перед потребителем не ставит. Потребитель же не имеет права вносить искажения по несинусоидальности, несимметрии и колебаниям напряжения, превышающие установленный для него допустимый вклад.
При невыполнении этих условий, т.е. если требования ГОСТ 13109-97 нарушены, виновная сторона несет ответственность, если она предусмотрена договором энергоснабжения. Это может быть реализовано только при контроле КЭ в точке присоединения потребителя и измерении фактического вклада потребителя в сравнении с его допустимым вкладом.
В техническом отношении КЭ может быть обеспечено при условии, что энергоснабжающая организация располагает резервом активной мощности, средствами регулирования напряжения, содержит оборудование электрических сетей в соответствии с установленными требованиями, систематически проводит контроль КЭ.
Потребитель должен применять исправное оборудование и приборы, оборудование с нормированным уровнем вносимых им помех или использовать специальные средства, позволяющие ограничивать вносимые помехи, и таким образом ограничивать свое влияние на КЭ в точке присоединения.
Контрольные вопросы
1. Объясните при каких условиях может быть обеспечена электромагнитная совместимость электрооборудования, подключенного к электрической сети?
2. Какие ограничения по качеству электроэнергии устанавливает ГОСТ 13109—97?
3. Для каких точек электрической сети в соответствии с ГОСТ 13109—97 установлены нормы отклонения напряжения?
4. Какими средствами обеспечивается соответствие установившегося отклонения напряжения заданным требованиям?
5.Какие изменения параметров режима могут привести к увеличению (снижению)
напряжения и частоты
6. Какими средствами обеспечивается регулирование частоты и ее поддержание в соответствии с требованиями ГОСТ 13109—97?
7. Поясните какое электрооборудование и почему влияет на искажения напряжения по несинусоидальности (несимметрии),
8. Как изменяются нормы по коэффициентам искажения синусоидальной формы кривой напряжения и n-й гармонической составляющей напряжения (коэффициентам несимметрии напряжения) в зависимости от номинального напряжения сети?
9. Как изменяется глубина провала напряжения в заданной точке сети с удаленностью КЗ?
10. Перечислите и кратко охарактеризуйте ненормируемые показатели качества электроэнергии.
11. Перечислите условия проведения измерений показателей качества электроэнергии при их контроле.
12. Перечислите условия, при которых по результатам контроля КЭ может быть установлено соответствие (несоответствие) требованиям ГОСТ 13109—97.
Литература для самостоятельного изучения
6.1. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатом издат, 1995.
6.2. ГОСТ 13109—97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998.
6.3. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества электроэнергии в электрических сетях. Киев: Наукова думка, 1985.
6.4. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии // Электричество. 2000. № 4. С. 11—17.
6.5. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский. Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
Глава седьмая