12.4. Качество энергии

Под качеством энергии следует понимать совокупность ее параметров (свойств), обусловливающих пригодность электро- или теплоэнергии удовлетворять потребно­сти различных энергоприемников в соответствии с их назначением.

Надежность и качество электроснабжения тесно связаны. Например, понижение ча­стоты тока в энергосистеме, вызванное дефицитом генерирующих мощностей, может потребовать отключения или ограничения части потребителей, т.е. снижения надежно­сти электроснабжения при безотказной работе оборудования.

В связи с неразрывностью производства и потребления электроэнергии ее качество определяется не только производителем (его генерирующим, трансформирующим, передающим и распределяющим оборудованием), но и потребителем, характеристи­ками электроприемников.

Показатели качества электроэнергии нормируются ГОСТ 13103-97. Они подраз­деляются на две группы: характеризующие качество частоты и качество напряже­ния.

Основным параметром является частота переменного тока. Стандартное значение частоты в нашей стране - 50 Гц. В энергосистемах частота обычно изменяется в отно­сительно небольших пределах, поэтому пользуются показателем отклонений ее факти­ческого значения от номинального. В ЕЭС России допустимы отклонения ± 0,2 Гц. Такие узкие пределы изменения частоты обусловлены значительным влиянием этого параметра на технико-экономические показатели работы электроприемников. Так, снижение частоты вызывает уменьшение числа оборотов электродвигателей и падение производительности механизмов, которые приводятся во вращение электродвигателя­ми. В то же время значительное повышение частоты в энергосистеме может привести к повреждению оборудования, расстройству технологических процессов, разладке автоматических линий.

Отклонения и колебания частоты оказывают влияние и на работу оборудования электростанций. В частности, изменяется мощность электродвигателей питательных насосов, вентиляторов и центробежных насосов.

Частота переменного тока - общесистемный параметр, т.е. в любой точке энерго­системы она имеет одно и то же значение. Поэтому изменение частоты может вызы­вать уменьшение выпуска продукции на всех промышленных предприятиях региона, получающих энергию от данной системы.

Таким образом, отклонение частоты переменного тока от номинального значения приводит к существенному ущербу как у потребителей электроэнергии, так и в энер­госистемах.

Главной причиной понижения уровня частоты является небаланс активной мощ­ности в энергосистеме. Он может происходить при непредвиденных, случайных и кратковременных (в разрезе суток) увеличениях электрической нагрузки сверх рас­четного максимума. Нагрузочный резерв предназначен для компенсаций этих нере­гулируемых колебаний нагрузки. Важную роль для поддержания нормативного уровня частоты играет внутризаводское регулирование режимов электропотребле­ния в целях выравнивания суточных графиков нагрузки предприятий и в итоге -снижения общего максимума энергосистемы.

Значительные изменения частоты могут приводить к крупным системным авариям. Для предотвращения этого предусмотрены специальные автоматические устройства частотной разгрузки, отключающие часть менее ответственных потребителей. После ликвидации дефицита мощности срабатывают автоматы повторного включения (АПВ). Следовательно, поддержание частоты на необходимом уровне требует затрат на нагрузочный резерв и регулирующие устройства.

Существенное влияние на работу электроустановок оказывают отклонения на­пряжения. Отклонение уровня напряжения у потребителей в основном происходит вследствие небаланса реактивной мощности в энергосистеме. В этой связи большое значение имеют мероприятия потребителей по повышению коэффициента мощности (установка статических конденсаторов, синхронных компенсаторов и др.). Допус­тимые пределы отклонений напряжения от номинальных значений также установле­ны ГОСТом. Изменение напряжения оказывает неблагоприятное воздействие на работу осветительных приборов и асинхронных двигателей, в совокупности со­ставляющих значительную часть всех электроприемников. Так, понижение напря­жения резко уменьшает световой поток, а следовательно, коэффициент полезного действия лампы и освещенность рабочей поверхности. Но в этом случае увеличива­ется срок службы лампы. При повышении напряжения растет световой поток, но сокращается срок службы.

Уменьшение освещенности рабочих мест влечет за собой снижение производитель­ности труда и ухудшение его качества. Увеличивается число несчастных случаев на производстве. При понижении напряжения у асинхронных двигателей уменьшается КПД и происходит интенсивное старение изоляции, повышение приводит к перегруз­ке обмотки статора.

Работа электротермических установок при снижении напряжения существенно ухуд­шается, увеличивается длительность технологического процесса, а в некоторых слу­чаях происходит полное его расстройство. Падение напряжения питания электропе­чей приводит к снижению их производительности. Аналогично на электролизных ус­тановках уменьшается производительность, повышаются удельные расходы элект­роэнергии и увеличивается себестоимость продукции.

Колебания напряжения- сравнительно быстрые изменения напряжения во време­ни - вызываются в основном работой отдельных электроприемников и связаны с по­треблением реактивной мощности. Они могут возникать при пусках мощных асинх­ронных двигателей, работе прокатных станов и электросварочных аппаратов, толч­ках тока в период плавки в электрических печах. Колебания напряжения оказывают влияние на работу осветительных приборов, которые меняют свои основные харак­теристики, вызывают повышенную утомляемость работающих, снижают производи­тельность труда.

При наличии колебаний напряжений в электросетях промышленных предприятий с установками высокочастотного нагрева, индукционными печами, сварочными агре­гатами может иметь место ущерб в виде брака продукции, повреждений оборудования, останова электроустановок, ухудшения качества сварки.

Колебания напряжения, возникающие на крупных металлургических заводах, ока­зывают влияние не только на работу своих электроприемников, но и на устойчивость энергосистемы и экономичность отдельных электростанций.

Помимо отклонений и колебаний напряжения определенный народно-хозяйствен­ный ущерб могут вызывать несимметрия в 3-фазной сети и несинусоидальность на­пряжения. Основной источник несимметрии - однофазные нагрузки: дуговые и ин­дукционные печи, сварочные агрегаты и др. Несинусоидальностъ обусловливается в основном наличием нелинейных нагрузок, например вентильными преобразователя­ми.

Несимметричные и несинусоидальные режимы приводят к дополнительным потерям мощности и энергии, повышенному нагреву электрооборудования, а следовательно, к ускоренному старению изоляции и повышенной аварийности. Эти режимы могут вызывать также ложные срабатывания релейной защиты и телеуправления.

В отличие от регулирования частоты, которое производится только в энергосистемах, регулирование параметров напряжения может осуществляться непосредственно и на промышленных предприятиях. Для экономической оценки выбора и применения спе­циальных компенсирующих и регулирующих устройств следует затраты на их приоб­ретение, установку и эксплуатацию сопоставить с тем ущербом, который возникает у потребителя в связи с нарушением качества электроэнергии. Величина ущерба зависит от характера технологического процесса, состава электроустановок в системе элект­роснабжения предприятия, а также от параметров качества электроэнергии. Пониже­ние ее качества в большинстве случаев приводит к таким последствиям, как

• изменение количества и качества выпускаемой продукции;

• порча сырья и материалов;

• расстройство технологических процессов;

• простои рабочих и ухудшение условий труда;

• повышение аварийности и повреждаемое™ оборудования;

• сокращение срока службы оборудования.

В общем случае издержки, связанные с обеспечением установленного ГОСТом каче­ства электроэнергии на предприятиях-потребителях, можно разделить на три категории:

А -затраты на разработку мероприятий по предупреждению ухудшения показате­лей качества (приобретение регулирующих и компенсирующих устройств, обучение персонала, расходы на стимулирование персонала);

Б - затраты на организацию учета и контроля уровня качества электроэнергии (содержание служб управления качеством, приобретение приборов, проведение ла­бораторных и стендовых испытаний);

В - затраты, связанные с ликвидацией последствий (ущерба) от работы предприятия при пониженном качестве электроэнергии.

Анализ издержек показывает, что затраты категорий А и Б гораздо меньше, чем затраты категории В.

Контроль показателей качества производится потребителем на границе балансо­вой принадлежности сетей в целях проверки соответствия фактических значений по­казателей качества допустимым, зафиксированным в договоре на пользование элек­троэнергией,

Взаимная ответственность производителей и потребителей за поддержание каче­ства электроэнергии может учитываться, например, при ценообразовании путем вве­дения скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию.

В промышленно развитых странах вопросам качества электроэнергии уделяется большое внимание. Основные показатели качества - частота и уровни напряжения -в энергетических системах этих стран поддерживаются в пределах номинальных зна­чений. Не допускается ввод электроприемников без принятия мер по устранению их вредного воздействия на электрическую сеть региона. Особое внимание уделяется постоянству частоты; оно поддерживается более строго, чем уровень напряжения. При возникновении необходимости снижения нагрузки для поддержания частоты вме­сто отключения части потребителей допускается снижение напряжения в сети.

Например, в США этот способ неоднократно использовался при дефиците мощности, который возникал из-за малой пропускной способности межсистемных связей и неравно­мерного распределения резерва генерирующих мощностей. Применяется такой путь и при аварийных ситуациях вместо АЧР или до начала их действия. В июле 1977 г. во время крупной аварии в Нью-Йорке при нагрузке более 6 ГВт диспетчер понизил напряжение на 8 % и нагрузка энергосистемы снизилась на 280 МВт (около 4,5 %).