Кто влияет на качество электрической энергии. Повышение качества электроэнергии: методы, способы, причины

1. Отклонение и колебание частоты происходят, в основном, вследствие перегрузок генераторов на электростанции, которые возникают в случае устойчивых коротких замыканий; аварийного отключения параллельно работающих генераторов в часы максимумов нагрузки потребителей, особенно в зимнее время.

2. Отклонения напряжения происходят из-за неправильного выбора элементов сети, нерационального регулирования напряжения путем переключения отпаек у трансформатора, ограниченной мощности источника питания под действием ударных нагрузок.

3. Колебания напряжения в сети обусловлены мощной ударной нагрузкой, сварочными агрегатами, неправильным выбором параметров элементов системы электроснабжения.

4. Несинусоидальность напряжения в сети обусловлена вентильными преобразователями, сварочными выпрямителями, дугоплавильными печами и другой аналогичной нагрузкой. При этом происходит искажение синусоидальной формы тока и напряжения в сети. Значения уровня гармоник в токе и напряжении зависят от величины нагрузки и достигают максимального значения для напряжения при X.X. нагрузки, когда Хн →∞, а для тока - при к.з., когда Хн →0. В промежутке между этими двумя граничными условиями ток Vй гармоники можно определить как:

где ϒ- угол коммутации вентиля.

Следовательно, на значение Кнс влияют режим работы нагрузки, параметры сети и величина нагрузки.

5. Различают длительную и кратковременную несимметрию напряжений. Длительная несимметрия возникает при наличии в сети осветительной нагрузки, однофазных сварочных установок, плавильных печей и т.п. Кратковременная несимметрия обычно связана с аварийными процессами в электрических сетях, такими как к.з., обрывы проводов, замыкания на землю.

6. Неуравновешенность напряжений возникает при увеличении сопротивления цепи нулевого провода в системе с глухозаземленной нейтралью или в системе с изолированной нейтралью при несимметричной нагрузке.

Не рассматривая неизбежные переходные процессы, приведенные на рис. 10.7, отметим, что длительное повышение или понижение питающей сети приводит к сокращению срока службы двигателей и источников питания. Понижение менее желательно из-за значительного роста тока потребления, нарушения и выхода из строя электроники и вычислительной техники. Отрицательное воздействие оказывает полное пропадание питающего напряжения. Кратковременные всплески и провалы вызываются переходными процессами в электрической системе, сопровождаясь высокочастотными помехами, приводящими к сбою электронной аппаратуры. Всплеск может привести к выходу из строя потребителя, если коммутационная и особенно защитная аппаратура не удовлетворяет требованиям по быстродействию и селективности.

Что влияет на качество электроснабжения

Негативное влияние на силовое электрооборудование и измерительные приборы оказывают длительные искажения кривой напряжения, особенно искажения напряжения, имеющие характер «зазубрин», вызванные коммутацией силовых тиристоров и диодов в мощных источниках искажения. Наиболее опасными являются искажения кривой жения через ноль. Эти искажения могут вызвать дополнительные коммутации диодов маломощных источников питания, ускорение старения конденсаторов, сбой компьютеров и принтеров и другой аппаратуры.

Проблема качества в отечественных электрических сетях очень специфична. Во всех промышленно развитых странах подключение мощных нелинейных нагрузок, искажающих форму кривых тока и электрической сети, допускается только при соблюдении требований по обеспечению качества электроэнергии и при наличии соответствующих корректирующих устройств. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3…5% от мощности всей нагрузки энергокомпании. Иная картина наблюдается в нашей стране, где такие потребители подключаются достаточно хаотично.

Выдача технических условий на присоединение во многом формальна из-за отсутствия четких методик и массовых сертифицированных приборов, фиксирующих «кто виноват». При этом промышленностью практически не выпускались необходимые фильтрокомпенсирующие, симметрирующие, многофункциональные оптимизирующие устройства и др.

В результате электрические сети России оказались перенасыщенными искажающим оборудованием.

В отдельных регионах сформировались уникальные по своей мощности и степени искаженности кривых тока и комплексы электрических сетей энергосистем и распределительных сетей потребителей, что существенно обострило проблему электроснабжения потребителей качественной электроэнергией.

Для определения соответствия значений измеряемых показателей качества электроэнергии нормам стандарта, за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения, коэффициента временного перенапряжения, устанавливается минимальный интервал времени измерений, равный 24 ч, соответствующий расчетному периоду. Общая продолжительность измерений ПКЭ должна быть выбрана с учетом обязательного включения характерных для измеряемых ПКЭ рабочих и выходных дней. Рекомендуемая общая продолжительность измерения составляет 7 сут. Сопоставление ПКЭ с нормами стандарта необходимо производить за каждые сутки общей продолжительности измерений отдельно для каждого ПКЭ. Кроме того, измерения ПКЭ следует проводить по требованию энергоснабжающей организации или потребителя, а также до и после подключения нового потребителя.

Методов повышения качества электроэнергии

Существуют три основные группы методов повышения качества электроэнергии :

1. рационализация электроснабжения, заключающаяся, в частности, в повышении мощности сети, в питании нелинейных потребителей повышенным напряжением;
2. улучшение структуры 1УР, например обеспечение номинальной загрузки двигателей, использование многофазных схем выпрямления, включение в состав потребителя корректирующих устройств;
3. использование устройств коррекции качества - регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии или связанных с ними параметров потребляемой мощности.

Экономически наиболее предпочтительной является третья группа, так как изменение структуры сети и потребителей ведет к значительным затратам.

Проектирование же новых сетей потребителей необходимо вести с учетом современных требований к качеству, ориентируясь на разработку регуляторов качества электроэнергии различных типов. Целенаправленное воздействие на изменение одного вида искажений вызывает косвенное воздействие на другие виды искажений. Например, компенсация колебаний напряжениявызывает снижение уровней гармоник и приводит к изменению отклонений напряжения.

Отклонения являются медленными и вызываются или изменением уровня в центре питания, или потерями в элементах сети (рис. 10.8). требования по отклонениям для последних электроприемников не выполняются изза значительных потерь в кабельной линии и на шинах питания. суммарные потери л /ц.п, %, определяют по выражению:

Анализируя эпюру (см. рис. 10.8), можно сделать вывод, что обеспечить требования по отклонениям можно за счет регулирования в центре питания (гпп, рп) и путем снижения потерь в элементах сети.

Регулирование реализуется с помощью изменения коэффициента трансформации питающего трансформатора. для этого трансформаторы оснащаются средствами регулирования под нагрузкой (рпн) или имеют возможность переключения отпаек регулировочных ответвлений без возбуждения (пбв), т. е. с отключением их от сети на время переключения ответвлений. трансформаторы с рпн позволяют регулировать в диапазоне от ±10 до ±15 % с дискретностью 1,25…2,50%. трансформаторы с пбв обычно имеют регулировочный диапазон ±5 %.

Снижение потерь в питающих линиях или кабелях может быть реализовано за счет снижения активного и (или) реактивного сопротивления. Снижение сопротивления достигается путем увеличения сечения проводов или применением устройств продольной компенсации (УПК).

Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему ее реактивное сопротивление уменьшается: Х’л= XL ХC< Хл.

Колебания в системе электроснабжения промышленного предприятия вызываются набросами реактивной мощности нагрузок. В отличие от отклонений колебания происходят значительно быстрее. Частоты повторения колебаний достигают 10… 15 Гц при скоростях набросов реактивной мощности до десятков и даже сотен мегавар в секунду. Размах колебаний напряжений

Из выражения (10.33) следует, что для снижения bU, необходимо уменьшить Хкз или набросы реактивной мощности нагрузки QH, для снижения которых должны применяться быстродействующие источники реактивной мощности, способные обеспечить скорости набросов реактивной мощности, соизмеримые с характером изменения нагрузки. При этом выполняется условие

Подключение ИРМ приводит к снижению амплитуд колебаний результирующей реактивной мощности, но увеличивает их эквивалентную частоту. При недостаточном быстродействии применение ИРМ может привести даже к ухудшению положения.

Для снижения влияния резкопеременной нагрузки на чувствительные электроприемники применяют способ разделения нагрузок, при котором наиболее часто применяют сдвоенные реакторы, трансформаторы трехобмоточные, с расщепленной обмоткой или питают нагрузки от различных трансформаторов. Эффект использования сдвоенного реактора основан на том, что коэффициент взаимоиндукции между обмотками сдвоенного реактора не равен нулю, а падение напряжения, уменьшающееся на 50…60 % за счет магнитной связи обмоток реактора, в каждой секции определяется по формулам:

где Км - коэффициент взаимоиндукции между обмотками секций реактора; XL - индуктивное сопротивление секции обмотки реактора.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой позволяют подключать к одной ветви обмотки низшего резкопеременную нагрузку (источник искажений), а к другой - стабильную. Связь между изменениями в обмотках определяется по выражению

Снижение несимметрии напряжении достигается уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

Основным источником несимметрии являются однофазные нагрузки. При соотношении между мощностью короткого замыкания в узле сети SK 3 к мощности однофазной нагрузки больше 50 коэффициент обратной последовательности обычно не превышает 2 %, что соответствует требованиям ГОСТ.

Снизить несимметрию можно, увеличив SK3 на зажимах нагрузки. Это достигается, например, подключением мощных однофазных нагрузок через собственный трансформатор на шины 110 - 220 кВ. Снижение систематической несимметрии в сетях низкого осуществляется рациональным распределением однофазных нагрузок между фазами с таким расчетом, чтобы сопротивления этих нагрузок были примерно равны между собой. Если несимметрию не удается снизить с помощью схемных решений, то применяются специальные устройства.

В качестве таких симметрирующих устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис. 10.9, а) или специальные схемы симметрирования (рис. 10.9, б) однофазных нагрузок.

Если несимметрия меняется по вероятностному закону, тодля ее снижения применяются автоматические симметрирующие устройства, в схемах которых конденсаторы и реакторы набираются из нескольких небольших параллельных групп и подключаются в зависимости от изменения тока или обратной последовательности (недостаток - дополнительные потери в реакторах). Ряд устройств основан на базе применения трансформаторов, например трансформаторов с вращающимся магнитным полем, представляющим собой несимметричную нагрузку, или трансформаторов, позволяющих осуществить пофазное регулирование напряжения.

Как уменьшить несинусоидальность напряжения

Снижение несинусоидального достигается:

• схемными решениями: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин; рассредоточение нагрузок по различным узлам питания с подключением параллельно им электродвигателей; группировка преобразователей по схеме умножения фаз; подключение нагрузки к системе с большей мощностью SK 3;
• использованием фильтровых устройств: включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров; включение фильтрокомпенсирующих устройств; применение фильтросимметрирующих устройств; применение ИРМ, содержащих фильтрокомпенсирутощие устройства;
• применением специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник: использование «ненасыщающихся» трансформаторов; применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Развитие современной базы силовой электроники и методов высокочастотной модуляции привело к созданию устройств, улучшающих качество электроэнергии - активных фильтров, подразделяемых на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Это привело к получению четырех базовых схем (рис. 10.10).

В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока, используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения, используется емкость. Схема замещения силового резонансного фильтра приведена на рис. 10.11.

Сопротивление фильтра Z на частоте со равно При XL = Хс на частоте со наступает резонанс напряжений, означающий, что сопротивление фильтра для гармонической составляющей с частотой со равно 0.

При этом гармонические составляющие с частотой со будут поглощаться фильтром и не будут проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых v = 3, 5, 7,… Уровни гармоник с таким порядковым номером обычно убывают с увеличением частоты. Поэтому на практике применяют цепочки из параллельно включенных фильтров, настроенных на 3, 5, 7 и 11ю гармоники. Такие устройства называются узкополосными резонансными фильтрами. Если XL и Хс - сопротивление реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, то, используя выражение (10.38), получаем

Фильтр, который помимо фильтрации гармоники будет генерировать реактивную мощность и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, называется фильтрокомпенсирующим (ФКУ).

Если устройство помимо фильтрации высших гармоник выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется филыросимметрирующим (ФСУ). Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов*, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Таким образом, устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей (несинусоидальность, несимметрия, отклонения напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (рис. 10.12). Целесообразность их разработки заключается в том, что резкопеременные нагрузки типа ДСП вызывают одновременное искажение по ряду показателей, что и потребовало комплексного решения проблемы.

К категории таких устройств относятся быстродействукшше статические источники реактивной мощности. По принципу регулирования реактивной мощности их можно подразделить на ИРМ прямой и косвенной компенсации. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

При разработке стратегии повышения качества электроэнергии в электрических сетях и обеспечения условий электромагнитной совместимости следует учитывать, что для исправления положения необходимы значительные материальные ресурсы и достаточно продолжительный период времени. Разработка всего комплекса мероприятий требует технической и экономической оценки последствий пониженного качества, что затруднено в силу следующих обстоятельств:

• воздействие качества электроэнергии на качество и количество выпускаемой продукции, а также на сроки службы электроприемников носит интегральный характер; изменения большинства показателей качества во времени являются стохастическими в силу их за висимости от режимов работы большого числа электроприемников;
• последствия пониженного качества электроэнергии часто проявляются в окончательном продукте, на качественные и количественные характеристики которого воздействуют и другие факторы;
• отсутствие данных отчетного характера, позволяющих установить причинноследственные связи между реальными показателями качества, с одной стороны, и работой электрооборудования и качеством выпускаемой продукции - с другой;
• слабая оснащенность отечественных электрических сетей средствами измерения показателей качества электроэнергии.

Тем не менее для обеспечения требуемых ГОСТ 13109 - 97 показателей необходимо выполнение комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на установление причин и источников нарушений и заключающихся в индивидуальном и централизованном подавлении помех с обеспечением повышенной помехозащищенности чувствительных к искажениям электроприемников.

Развитие полупроводниковой технологии обеспечило нам невероятные преимущества, однако следует учитывать тот факт, что микроэлектроника, лежащая в основе данной технологии, требует качественного электропитания. Увеличение быстродействия и использование все более низкого напряжения приводит к постоянному повышению требований к качеству электроэнергии.

К вопросам качества электроэнергии относятся различные аспекты: возмущения напряжения (провалы, всплески, утечки и переходные процессы), гармонические токи, наличие проводки и заземления высокого класса. Симптомами низкого качества электроэнергии являются периодические блокировки и перезагрузки оборудования, повреждение данных, преждевременный выход оборудования из строя, перегрев компонентов без видимых причин и т.д. Все это ведет к простоям оборудования, снижению производительности и раздражает ваших работников.

Начальный осмотр в точке, где присутствуют неисправности

Одним из подходов к диагностике неисправностей, связанных с качеством электроэнергии, является проверка в точке, которая расположена максимально близко к потребителю, испытывающему проблемы. Данный потребитель обычно является электронным устройством, чувствительным к качеству электроэнергии и испытывающим некоторые неполадки. Возможная причина заключается в низком качестве электроэнергии, однако частью вашей работы является отделить данную причину от других возможных причин (неисправность оборудования, сбой программного обеспечения и т.д.) Подобно детективу, вам необходимо начать работу с осмотра "места преступления". Такой подход, как проверка в восходящем направлении может отнять много времени. Он основан на внимательности и выполнении измерений основных параметров.

Альтернативным методом является движение от ввода в электросистему здания к точке возникновения неисправностей, используя трехфазный контрольный прибор. Подобный подход имеет максимальную эффективность, если причина неисправности находится в сети электроснабжения.

Тем не менее, на основе многочисленных проверок был сделан вывод, что причины подавляющего большинства проблем с качеством электроэнергии находятся на предприятиях (в зданиях). Как правило, наилучшее качество электроэнергии наблюдается на входе в электрическую систему здания (в точке подключения к коммунальным сетям электропитания). По мере движения по распределительной системе качество электроэнергии постепенно снижается. Это связано с проблемами, источником которых являются потребители, расположенные в здании. Другим характерным фактом является то, что 75 % всех проблем с качеством электроэнергии связано с проводкой и заземлением!

По этой причине многие службы, контролирующие качество электроэнергии, считают, что процесс диагностики неисправностей необходимо начинать с электрической системы здания, а затем, при необходимости, использовать контрольные приборы в точке подключения к коммунальным сетям. Ниже приведена процедура диагностики неисправности, основанная на восходящем подходе и призванная помочь вам выполнить данную работу.

Первый этап

Если вы работаете на данном предприятии или в этом здании, то, возможно, вы четко представляете себе схему электрической системы, однако для облегчения вашей работы и работы других людей рекомендуется нанести схему на бумагу. Если вы впервые пришли на данную рабочую площадку, необходимо получить наиболее свежую схему электрической системы, на которой указаны новые потребители и недавние изменения, внесенные в систему. Для чего это нужно? Электрические системы не являются статическими, со временем в них вносятся изменения, зачастую незапланированные и достаточно опасные. Кроме того, несмотря на то, что некоторые неисправности носят локальный характер, существует множество проблем, вызванных взаимодействием между различными частями системы. Ваша работа заключается в том, чтобы обнаружить данные взаимодействия в системе.

Однако верным является и то, что предприятия, испытывающие наибольшее количество проблем, обычно не склонны вести точные записи об изменениях системы. Множество консультантов зарабатывают свой гонорар тем, что обновляют полученную документацию в соответствии с реальным состоянием электрической системы. Таким образом, первое правило звучит достаточно просто: старайтесь получить наиболее полную документацию, но не рассчитывайте, что она имеется в наличии.

2. Проведите обход объекта

Иногда визуальный осмотр позволяет найти признаки неисправностей:

· Перегревающийся трансформатор

· Изменившийся вследствие перегрева цвет проводки или соединений

· Многочисленные удлинители, подключенные к одной электрической розетке

· Сигнальные провода, уложенные в один кабелепровод с силовыми кабелями

· Нежелательные соединения нейтрали с землей в промежуточных распределительных щитах.

· Провода заземления, подключенные к трубам, которые заканчиваются в воздухе.

Как минимум, вы получите представление о схеме, состоянии проводки и типах потребителей, используемых на объекте.

3. Поговорите с персоналом, который испытывает проблемы с оборудованием, и запишите время возникновения неисправностей

Поговорите с людьми, которые работают на проблемном оборудовании. Вы получите описание проблемы и, возможно, неожиданные подсказки к ее решению. Также рекомендуется записать время возникновения неисправностей и их признаки. Это особенно важно для проблем, имеющих периодический характер. Нужно постараться найти какую-то систему, которая поможет установить связь между возникновением неисправности и одновременным событием в другой части системы. Обычно, ведение журнала неисправностей должно являться обязанностью оператора, работающего рядом с оборудованием, на котором возникают неисправности.

Перечень причин ухудшения качества электроэнергии

От коммунальных сетей электропитания до электрической розетки

Молнии

Молнии могут носить чрезвычайно разрушительный характер при отсутствии соответствующей системы защиты от перенапряжений. При далеком ударе молнии могут возникать провалы напряжения и наблюдаться пониженное напряжение в коммунальной сети электропитания. При близких ударах молнии возникают всплески напряжения и повышенное напряжение. Но, по здравом рассуждении, молнии являются всего лишь природным явлением, и не относятся к категории проблем, которые люди создают себе сами.

Повторное срабатывание автоматических выключателей в коммунальной сети

Вызывает кратковременные провалы и пропадания напряжения, однако, это лучше, чем долговременные перебои электропитания.

Переключение конденсаторов в коммунальной сети

Вызывает резкие отклонения напряжения (проявляются в виде колебательных переходных процессов на линии кривой напряжения). Если блок конденсаторов расположен рядом с объектом, то переходные процессы могут распространиться на всю электрическую систему здания.

Коммерческие высотные здания, не оснащенные распределительными трансформаторами достаточной мощности

Попытки сэкономить средства в неподходящих случаях за счет установки распределительных трансформаторов с напряжением 208 В в зданиях выше 20 этажей никоим образом не ведут к улучшению качества электроэнергии.

Генераторные установки, не соответствующие гармоническим нагрузкам

Чрезмерные искажения напряжения влияют на электронные цепи управления. При наличии в системе потребителей, оснащенных преобразователями с полупроводниковыми выпрямителями, искажение напряжения может повлиять на цепи коррекции частоты.

Применение конденсаторов коррекции коэффициента мощности без обеспечения компенсации гармоник

Гармоники и конденсаторы несовместимы друг с другом. Наличие подобных конденсаторов требует немедленного вмешательства.

Пусковые токи от высокомоментных электродвигателей, использующих прямой пуск

Вызывают провалы напряжения при слишком большой нагрузке или слишком большом полном сопротивлении источника питания. Применение ступенчатого запуска двигателей поможет устранить проблемы.

Нейтральные провода с недостаточным сечением в распределительном щите

При наличии 3-й гармоники на нейтральных проводах может присутствовать ток, значение которого равно или превышает значение тока в фазном проводе. Недостаточное сечение нейтральных проводов приводит к их перегреву, повышает опасность возгорания и увеличивает напряжение "нейтраль-земля".

Изолированный стержень заземления может вызывать замыкания через заземление.

Стандартная проблема для станков с ЧПУ.

Лазерные принтеры и копировальные аппараты, установленные в одной цепи с потребителями, чувствительными к качеству электроэнергии

Неизбежные периодические провалы напряжения и переходные процессы при переключении.

Неправильное подключение электрических розеток (перепутаны подключения к нейтрали и земле)

Трудно поверить, но подобных случаев не так уж мало. При этом неизбежно возникновение обратных токов в проводе заземления и помех на "земле".

Кабели данных, каждый конец которых подключен к разным соединениям с "землей"

При этом возникает напряжение между корпусом оборудования и разъемом кабеля данных.

Высокочастотные помехи

Наиболее эффективной технологией заземления высокочастотных помех является использование опорной сетки сигналов (SRG ).

Классы

Изолированные заземляющие стержни (см. ниже)

Представляют собой высокую опасность, так как земля является проводником с высоким полным сопротивлением, что не позволит току с достаточным для отключения значением дойти до автоматического выключателя. При этом также возникают замыкания через заземление (в конце концов, каждый электрон должен вернуться туда, откуда он начал свой путь). Одной из величайших тайн для консультантов по качеству электроэнергии является тот факт, что некоторые производители оборудования могут настаивать на прекращении гарантии на свое оборудование, если не установлен изолированный заземляющий стержень.

Недопустимые соединения между нейтралью и землей

Обеспечивают неизбежное появление в контуре заземления обратных токов. Это проблема не только качества электропитания, но и водоснабжения. Циркулирующие токи на землю вызывают коррозию водопроводных труб.

Международные стандарты безопасности для измерительного оборудования

*Характеристики устройств категории CAT IV еще не определены в стандарте.

Стандарт IEC 61010 требует повышенной защиты от переходных перенапряжений. Переходные процессы могут вызвать дуговой пробой внутри прибора, не имеющего соответствующей защиты. При возникновении дугового пробоя в зоне с высоким напряжением, например в трехфазной питающей линии, может произойти опасный дуговой разряд. В связи с этим существует опасность серьезных травм персонала и повреждения прибора.

Независимые испытания и сертификация

Производители могут самостоятельно выполнить сертификацию на соответствие стандарту IEC 61010, однако для конечных пользователей процесс сертификации представляет очевидные трудности. Сертификация, выполненная независимыми лабораториями, даст гарантию того, что приборы соответствуют требованиям IEC .

Посмотрите на символ и порядковый номер маркировки независимой испытательной лаборатории: UL , CSA , T ? V , VDE , и т.д. Так, например, UL 3111, означает соответствие стандарту IEC 61010.

Качество электроэнергии требуется выражать количественными показателями для оценки питающей сети. Провайдеры обязаны поддерживать соответствие ГОСТам таких характеристик, как колебание напряжения и частоты. В зависимости от подключенных потребителей значения основных показателей меняются, что может при значительных их отклонениях приводить к выходу из строя бытовых приборов.

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.

Зачем нужны основные характеристики питающей сети?

Количественная величина и погрешности отклонения параметров устанавливаются согласно ГОСТ. Качество электроэнергии прописано в документе 32144-2013. Потребовалось узаконить эти показатели из-за риска возгорания приборов потребителя, а также нарушения функционирования электроприборов чувствительных к перепадам напряжения установок. Последние устройства распространены в медицинских учреждениях, научных центрах, на военных объектах.

Электроэнергии обновлены в 2013 году в связи с развитием рынка сбыта энергии и появлением новых электронных устройств. Рассматривать электричество в рамках его поставки следует как продукцию, соответствующую определённым критериям. При отклонении установленных характеристик к провайдерам может применяться административная ответственность. Если же по вине колебаний входящего напряжения пострадали или могло пострадать люди, то может возникнуть уже уголовная ответственность.

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 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 в худшем безвозвратно портятся обмотки двигателей, элементы электроники. При аналогичных обстоятельствах электросчетчик начинает вращаться с большей скоростью. Хозяин помещения терпит убытки.

Критерии оценки питающей сети

Что же содержит ГОСТ? Качество электроэнергии определяется характеристиками трёхфазных сетей и распространенных в быту цепей частотой 50 Гц:

• Установившееся значение отклонения напряжения определяет величину характеристики, при которой потребители могут функционировать без сбоя. Устанавливается нижний нормальный предел от 220 В это 209 В и верхний равен 231 В.
• Размах изменения входного напряжения представляет собой разность величин действующей и амплитудной. Замеры производят за цикл перепада параметра.
• Доза фликера подразделяется на кратковременную в пределах 10 минут и длительную, определяемую 2 часами. Обозначает степень восприимчивости человеческого глаза к мерцанию света, причиной которого стало колебание питающей сети.
• Импульсное напряжение описывается временем восстановления, имеющего разную величину в зависимости от причины возникновения скачка.
• Коэффициенты для оценки качества питающей сети: по искажению синусоидальности, значения временного перенапряжения, гармонических составляющих, несимметричности по обратной и нулевой последовательностях.
• Интервал провала напряжения определяется периодом восстановления параметра, установленного согласно ГОСТ.
• Отклонение питающей частоты приводит к повреждениям электрических частей и проводников.

Фиксируемое отклонение входной величины

Показатели качества электроэнергии стараются сделать соответствующими установленным номиналам, прописанным в законодательных актах. Внимание уделяется погрешностям, возникающим при замерах U и f. Если имеются погрешности, то можно обращаться в надзорные органы, чтобы привлечь к ответственности поставщика электричества.

Общие требования к качеству электроэнергии включают параметр отклонения питающего напряжения, который подразделяют на две группы:

• Нормальный режим, когда отклонение составляет ±5 %.
• Предел допустимого режима установлен для колебаний ±10 %. Это составит для сети 220 В минимальный порог 198 В и максимальный 242 В.

Восстановление напряжения должно происходить во временной интервал не более двух минут.

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%.

Неустойчивость входного значения

Система качества электроэнергии включает замеры дозы фликера. Этот показатель фиксирует специальный прибор — фликерметр, который снимает амплитудно-частотную характеристику. Полученные результаты сравнивают с кривой чувствительности зрительного органа.

ГОСТом установлены допустимые пределы изменения дозы фликера:

• Кратковременные колебания показатель не должен быть выше 1,38.
• Длительные изменения должны укладываться в значение параметра 1,0.

Если речь идет о верхнем пределе показателя цепи ламп накаливания, то требуется, чтобы результат попал в следующие границы:

• Кратковременные колебания — показатель установлен равным 1,0.
• Продолжительные изменения параметра — 0,74.

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.

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.

Зачем нужна величина спада

Параметр продолжительность спада входной величины требуется для оценки надежности подводящей энергии в количественном выражении. На этот показатель может влиять периодичность аварий на подстанции из-за халатности персонала, молний. Результатом исследования провалов становятся прогнозы по степени отказа в рассматриваемой сети.

Статистика позволяет делать приближенные выводы о стабильности подачи Провайдеру электричества предоставляются рекомендуемые данные для проведения профилактических мероприятий на установках.

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.

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 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.

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПОКАЗАТЕЛИ И НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫЕ ВИНОВНИКИ УХУДШЕНИЯ качества электрической энергии

1 (приложение А ГОСТ).

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК.

1. Установившееся отклонение напряжения

Установившееся отклонение напряжения: нормально допустимые δUy (%) ±5 предельно допустимые δUy (%) ±10

Отклонение напряжения от номинальных значений происходит из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителя, а именно: изменения мощности компенсирующих устройств; регулирования напряжения генераторами электростанций и на подстанциях энергосистем; изменения схемы и параметров электрических сетей.

недонапряжение - ухудшение пуска, увеличение токов электродвигателей, что влечёт нагрев обмоток, нарушение изоляции и снижение срока службы двигателя;

Перегрузка регулируемых выпрямителей, преобразователей и стабилизаторов;

перенапряжение - перерасход электроэнергии, повышение реактивной мощности двигателей, выпрямителей с фазовым регулированием, пробой регулируемых выпрямителей, преобразователей и стабилизаторов.

Причинами несоответствий по установившемуся отклонению напряжения могут быть:

– неверно выбранный коэффициент трансформации трансформатора 6–10/0,4 кВ или не

проведенное своевременно сезонное переключение отпаек этих трансформаторов;

– значительная несимметрия фазных нагрузок в сетях 0,4 кВ;

– значительные потери напряжения в распределительной сети, превышающие предельные значения;

– отсутствие трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) в центре питания (ЦП);

– отсутствие автоматического регулятора напряжения (АРН) в ЦП или его неиспользование;

– некорректная работа АРН или неправильно выбранный закон регулирования напряжения в ЦП;

– разнородность нагрузок распределительных линий 6–10 кВ и несовместимость требований

потребителей всей распределительной сети на шинах ЦП;

– неверно заданные уставки регулирующих устройств на генераторах, повышающих

трансформаторах и автотрансформаторах связи, отсутствие или недостаточное использование

специальных устройств в межсистемных линиях и питающих сетях энергосистем, регулирующих

реактивную мощность (синхронных компенсаторов, батарей статических компенсаторов и

шунтирующих реакторов);

– превышение потребителем разрешенной ему мощности или нарушение договорных

условий с ЭСО по использованию специальных средств, регулирующих реактивную мощность

(батарей статических конденсаторов, синхронных двигателей);

– пониженная пропускная способность питающих сетей и др..

2. Колебания напряжения.

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

- размахом изменения напряжения;

- дозой фликера.

Предельно допустимое значение суммы отклонения напряжения и размаха напряжения в электрических сетях 0,38 кВ равно ± 10% от номинального напряжения.

Доза фликера - это мера восприимчивости человека к воздействию колебаний светового потока, вызванных колебаниями напряжения в сети за определенный промежуток времени.

ГОСТом устанавливаются две характеристики дозы фликера: кратковременная (время наблюдения 10 мин.) и длительная (2 час.).

Колебания напряжения вызываются резким изменением нагрузки на рассматриваемом участке электрической сети, например, включением асинхронного двигателя с большой кратностью пускового тока, технологическими установками с быстропеременным режимом работы, сопровождающимися толчками активной и реактивной мощности (приводы реверсивных прокатных станов, дуговые сталеплавильные печи, сварочные аппараты и т. д.). Распространение колебаний напряжения в сторону системы электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Причём, коэффициент затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.

Компенсация осуществляется путем применения быстродействующих источников реактивной мощности, способных компенсировать изменения реактивной мощности. Для снижения влияния резкопеременой нагрузки на чувствительные электроприемники применяют способ разделения, при котором резкопеременную и чувствительную к колебаниям напряжения нагрузки присоединяют к разным трансформаторам.

К числу электроприемников, чрезвычайно чувствительных к колебаниям напряжения, относятся осветительные приборы, особенно лампы накаливания и электронная техника. Колебания напряжения вызывают мигание ламп накаливания (фликер-эффект), что порождает неприятный психологический эффект у человека, утомление зрения, снижение производительности, травматизм. При значительных колебаниях напряжения могут быть нарушены условия нормальной работы электродвигателей, возможно отпадание контактов магнитных пускателей с соответствующим отключением работающих двигателей, колебания фазы напряжения вызывают вибрацию электродвигателей.

3. Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициентом n -ой гармонической составляющей напряжения.

Главной причиной искажений является использовании нелинейных электроприемников, таких как: вентильные преобразователи, электродуговые и сталеплавильные печи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, ряд электронных технических средств (телевизоры, компьютеры), газоразрядные лампы и другие. Электронные приемники и газоразрядные лампы при работе создают невысокий уровень искажений, но так как таких электроприемников много, их общее влияние велико. В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических, который «выбрасывается» во внешнюю сеть.
Влияние:

рост потерь в электрических машинах, вибрации, нарушение работы автоматики защиты, увеличение погрешностей измерительной аппаратуры;

фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач - учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.

Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

Схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, группирование вентильных преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания (Sкз);

Применение оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник, например «ненасыщающихся» трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;

Использование фильтровых устройств: параллельных узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств (ФКУ и ФСУ).

4. Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

К источникам несимметрии напряжений и токов относят следующие:

Нетранспонированные линии электропередачи и неравномерно присоединенные однофазные бытовые нагрузки, создающие систематическую несимметрию напряжений;

Разновременно включающиеся по фазам бытовые нагрузки и др., создающие случайную несимметрию напряжений.

Потребители электрической энергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки и т. д.

Влияние: дополнительный нагрев электродвигателей, увеличение суммарных потерь, перегрев нулевых проводников, возможность пожара, увеличение сопротивлений заземляющих устройств, увеличение пульсаций выпрямленных напряжений, нарушение управления тиристорных преобразователей, некачественная компенсация реакт. мощности конденсаторными установками.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях при обрыве фазы, рабочего нуля или несимметричных коротких замыканиях.

В отличие от прямой последовательности, в обратной – обратное чередование (АСВ) фаз; соответственно, при превышении допустимого значения эта составляющая будет препятствовать вращению двигателей в заданную сторону, снижая его КПД. К обратной последовательности относятся гармоники с номерами 3n+2, где n изменяется от 0 до 12 (для прибора). При длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U=2-4%, срок службы электрической машины снижается на 10-15%, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

В нулевой последовательности чередование фаз отсутствует, все фазы имеют одинаковую начальную фазу. При превышении допустимого значения эта составляющая создаст повышенный ток в нулевом проводе. К нулевой последовательности относятся гармоники с номерами, кратными 3.

5. Отклонение частоты.

нормально допустимое отклонение частоты Δf (Гц) ±0,2 предельно допустимые отклонение частоты Δf (Гц) ±0,4

Отклонения частоты разность между действительным и номинальным значениями частоты:

снижение производительности электроприводов, снижение сроков службы электрических машин, искажения телевизионного изображения.

6. Провал напряжения.

Характеристикой провала напряжения является его длительность и глубина провала.

Предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях до 20 кВ включительно равно 30 сек.

Провал напряжения - внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 U ном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд.

Длительность провала напряжения - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Причина - электромагнитные переходные процессы при коротких замыканиях, коммутации электрооборудования, обрыв нулевого провода.

отключение оборудования при провалах, выход из строя при ухудшающихся условиях работы.

7. Импульсное напряжение.

Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;

Амплитуда импульса - максимальное мгновенное значение импульса напряжения;

Длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения в вольтах, киловольтах и длительностью фронта импульса не более 5 мс. Величина импульсного напряжения стандартом не нормируется, но по статистике для грозовых и коммутационных импульсов величина напряжения при их длительности 0,5 амплитуды (мкс) может достигать: в сети 0,38 кВ - 4,5 кВ; в сети 6 кВ - 27 кВ; в сети 35 кВ - 148 кВ.

8. Временное перенапряжение.

Временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1U ном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.

Коэффициент временного перенапряжения - величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных: значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.