1.4.2 Качество электроэнергии

Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определённой электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные конструктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде говорят об электромагнитной совместимости технических средств.

Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ). Они называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ).

В 1967 г. в СССР впервые в мировой практике был утвержден ГОСТ, определяющий значения показателей качества электрической энергии (ГОСТ 13109-67 «Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения»).

В настоящее время показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (ГОСТ 13109-97).

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы: нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения dU_у на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ± 5 и ± 10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721-77 и ГОСТ 21128-83.

Причинами несоответствий по установившемуся отклонению напряжения U_у могут быть:

1) неверно выбранный коэффициент трансформации трансформатора 6—10/0,4 кВ или не проведенное своевременно сезонное переключение отпаек этих трансформаторов;

2) разнородность нагрузок линий 0,38 кВ и несовместимость требований потребителей к U_у на шинах 0,4 кВ трансформаторов 6—10/0,4 кВ;

3) значительная несимметрия фазных нагрузок в сетях 0,4 кВ;

4) значительные потери напряжения в распределительной сети, превышающие предельные значения;

5) отсутствие трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) в центре питания (ЦП) распределительной сети;

6) отсутствие автоматического регулятора напряжения (АРН) в ЦП или его не использование;

7) некорректная работа АРН или неправильно выбранный закон регулирования напряжения

8) разнородность нагрузок распределительных линий 6—10 кВ и несовместимость требований потребителей всей распределительной сети к U_у на шинах ЦП;

9) ошибки в планировании диспетчерских графиков спроса и предложения в реактивной мощности;

10) отсутствие договорных отношений или некорректно определенные договорные условия по допустимому диапазону U_у;

11) 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), пониженная пропускная способность питающих сетей и др.;

12) превышение потребителем разрешенной ему мощности или нарушение договорных условий с ЭСО по использованию специальных средств, регулирующих реактивную мощность (батарей статических конденсаторов, синхронных двигателей).

Влияние отклонения напряжения на:

1) технологические установки:

при снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства;

при повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий;

при значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса;

2) освещение:

снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1·U_ном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза;

при величине напряжения 0,9·U_ном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15%;

при величине напряжения менее 0,9·U_ном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8·U_ном просто не загораются;

3) электропривод:

при снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25%. Двигатель может не запуститься или остановиться;

при снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9·U_ном срок службы двигателя снижается вдвое;

при повышении напряжения на 1% увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3—7%. Снижается эффективность работы привода и сети.

Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет:

1) 10% специфическая нагрузка;

2) 30% освещение и прочее;

3) 60% асинхронные электродвигатели.

Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.

ΔU = (P·R + Q·X) / U_{ЦП (ТП).}

Снижение потерь напряжения (ΔU) достигается:

1. Выбором сечения проводников линий электропередач (≡ R) по условиям потерь напряжения.

2. Применением продольной емкостной компенсации реактивного сопротивления линии (X). Однако, это опасно повышением токов короткого замыкания при X→0.

3. Компенсацией реактивной мощности (Q) для снижения ее передачи по электросетям, с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения. Кроме снижения потерь напряжения, это является неплохим мероприятием энергосбережения, снижающим общие потери электроэнергии в сетях.

Регулирование напряжения U:

1. В центре питания регулирование напряжения (U_ЦП) осуществляется с помощью трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки (регулирование под нагрузкой  РПН). Такими устройствами оснащены 10% трансформаторов. Диапазон регулирования ± 16% с дискретностью 1,78%.

2. Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях (U_ТП) с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации (переключение без возбуждения  ПБВ, т. е. с отключением от сети). Диапазон регулирования ± 5% с дискретностью 2,5%.

Колебания напряжения  быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд.

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

1. размахом изменения напряжения;

2. дозой фликера.

Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.

Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования, вызывают брак продукции, способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования.

Так, например, колебания амплитуды и в большей мере фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателя, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы.

А при размахах колебаний более 15% могут отключаться магнитные пускатели и реле.

Не менее опасна, вызываемая колебаниями напряжения, пульсация светового потока ламп освещения. Её восприятие человеком – фликер – утомляет, снижает производительность труда и в конечном счёте влияет на здоровье людей.

Доза фликера - мера восприятия человеком пульсаций светового потока. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения δU_t = 29%.

При одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп.

Мероприятия по снижению колебаний напряжения:

1. Применение оборудования с улучшенными характеристиками (снижение Q).

Применение электродвигателей со сниженным пусковым током и улучшенным cos φ при пуске или применение частотного регулирования электроприводов, а также устройств плавного пуска-останова двигателя.

2. Подключение к мощной системе электроснабжения (увеличение S_кз).

Распространение колебаний напряжения в сторону системы электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Коэффициент затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.

3. Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок на разные трансформаторы или секции сборных шин.

Размах изменения напряжения U_t на шинах спокойной нагрузки снижается на 50—60%.

Недостатком является возрастание потерь при неполной загрузке трансформаторов.

4. Снижение сопротивления питающего участка сети.

При увеличении сечения проводников линии снижается R, а применение устройств продольной компенсации снижает суммарное X.

Недостаток этого способа в увеличении капитальных затрат, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания при X→0.

Несинусоидальность напряжения. Электроприёмники с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной, рис. 1.5. а протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального. Это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря  выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы.

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

1. Коэффициентом искажения синусоидальности напряжения;

2. Коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Рис. 1.5. Несинусоидальное напряжение.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

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

2. В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10% суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10—15%.

3. Возрастает недоучёт электроэнергии вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

4. Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

5. Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающей частоту сети электроснабжения – частоту первой гармоники (f_n = 1 = 50 Гц, f_n = 2 = 100 Гц, f_n = 3 = 150 Гц …).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

Нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением U_ном определяются ГОСТ 13109-97.

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

K_U(n)пред = 1,5 K_U(n)норм,

где K_U(n)норм  нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в табл 1.4.

Таблица 1.4

Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, %

Нормально допустимое значение при Uном , кВ				Предельно допустимое значение при Uном , кВ
0,38	6–20	35	110–330	0,38	6–20	35	110–330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2 до 40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

1. Аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения.

2. Применение оборудования с улучшенными характеристиками:

1. «ненасыщающиеся» трансформаторы;

2. преобразователи с высокой пульсностью и т. д.

3. Подключение к мощной системе электроснабжения.

4. Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

5. Снижение сопротивления питающего участка сети.

6. Применение фильтрокомпенсирующих устройств.

Несимметрия напряжений - несимметрия трёхфазной системы напряжений (рис. 1.6).

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

7. Коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8. Коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Основными причинами появления несоответствий по K_0U могут быть:

1. Несимметрия нагрузок по фазам в электрических сетях 0,22/0,38 кВ;

2. Значительные сопротивления элементов схемы замещения, в том числе – сопротивление нулевой последовательности линий и распределительных трансформаторов 6—10/0,4 кВ.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются:

1. дуговые сталеплавильные печи;

2. тяговые подстанции переменного тока;

3. электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Рис. 1.6. Пример несимметрии напряжения.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

1. возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе;

2. однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения;

3. в электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора;

4. общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы выливается в значительное снижение срока их службы.

Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U = 2—4%, срок службы электрической машины снижается на 10—15%, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое. Поэтому ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям - нормально допустимое 2% и предельно допустимое 4%.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

• Равномерное распределение нагрузки по фазам.

• Применение симметрирующих устройств.

Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.

Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы:

1. Нормально допустимые и предельно допустимые значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

2. Отклонение фактической частоты переменного напряжения (f_ф) от номинального значения (f_ном) в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Для устранения этих явлений необходимо ремонтировать или модернизировать существующие и строить новые электростанции. А пока их нет, активно применяется радикальная мера - автоматическая частотная разгрузка (АЧР), то есть отключение части потребителей при снижении частоты.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения. Это ситуация аварийная и действие ГОСТ 13109-97 на неё не распространяется, а в установившемся режиме работы сети такое событие весьма редкое.

Причинами несоответствий по отклонению частоты f могут быть:

1) отсутствие достаточного резерва мощности и пропускной способности элементов сети;

2) ошибки в планировании диспетчерских графиков спроса и предложения в активной мощности, подборе электростанций для размещения первичного резерва, в том числе необходимого при аварийных нарушениях баланса мощности, планировании дополнительных резервов пропускной способности линий для выдачи первичного резерва при внезапных нарушениях баланса;

3) несвоевременность предоставления резерва мощности для его использования в режимах первичного, вторичного или третичного регулирования в соответствии с заданными системным оператором требованиями.

Провал напряжения  внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% U_ном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения.

Провал напряжения характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма:

предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики.

Причинами провалов напряжения является срабатывание средств защиты и автоматики при отключении грозовых перенапряжений, токов короткого замыкания (КЗ), а также при ложных срабатываниях защит или в результате ошибочных действий оперативного персонала.

ГОСТ 13109-97 не нормирует провал напряжения, он ограничивает его продолжительность 30 секундами.

Импульс напряжения  резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд (рис. 1.7).

Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения.

Рис. 1.7. Импульс перенапряжения.

Значения импульсных напряжений для грозовых и коммутационных импульсов, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации, определены для каждого класса напряжений и приведены в ГОСТ 13109-97 прил. Д.

Импульсные перенапряжения возникают при грозовых явлениях и при коммутациях оборудования (трансформаторы, двигатели, конденсаторы, кабели), в том числе при отключении токов КЗ.

Величина импульса перенапряжения зависит от многих условий, но всегда значительна и может достигать многих сотен тысяч вольт.

ГОСТ 13109-97 приводит справочные значения импульсного перенапряжения при коммутациях для разных типов сетей.

Временное перенапряжение  внезапное и значительное повышение напряжения (более 110% U_ном) длительностью более 10 миллисекунд (рис. 1.7).

Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения.

Значения коэффициентов временных перенапряжений, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации, приведены в ГОСТ 13109-97 прил. Д.

Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и коротких замыканиях на землю (длительные).

Коммутационные перенапряжения возникают при разгрузке протяжённых линий электропередач высокого напряжения.

Длительные перенапряжения возникают в сетях с компенсированной нейтралью и четырёхпроводных сетях при обрыве нейтрального провода, а также в сетях с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю (в сетях 6—10—35 кВ в таком режиме допускается длительная работа).

В этих случаях напряжение неповреждённых фаз относительно земли (фазное напряжение) может вырасти до величины междуфазного (линейного) напряжения.