2 Показатели качества электрической энергии

Электроэнергия — основа создания различных видов продукции, в том числе сельскохозяйственной, оказывает существенное влияние на экономические показатели производ­ства и качество выпускаемых сельскохозяйственных товаров и из­делий.

Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприемников.

Электроприемники и аппараты, присоединенные к электри­ческим сетям, предназначены для работы при номинальных пара­метрах частоты переменного тока, напряжения, синусоидальности формы кривой питающего напряжения, симметрии напряжений по фазам и др. Отклонение этих параметров от номинальных зна­чений ухудшает показатели работы электроприемников и наносит серьезный ущерб сельскохозяйственным предприятиям.

В то же время качество электроэнергии на месте производства не гарантирует ее качество на месте потребления. Характер работы потребителей электроэнергии существенно влияет на параметры качества электроэнергии. Качество электроэнергии до и после включения потребителя в точке его присоединения может быть различно.

По сути, качество электроэнергии можно характеризовать тер­мином «электромагнитная совместимость», под которым понима­ют способность оборудования нормально функционировать в его электромагнитной среде, не создавая недопустимых электромаг­нитных помех для другого оборудования, функционирующего в той же среде.

При соблюдении норм качества электроэнергии обеспечивает­ся электромагнитная совместимость электрической сети СЭС и сети потребителей.

Такие показатели качества электроэнергии, как отклонение напряжения и частоты, искажение синусоидальности формы кривой напряжения, несимметрия и колебания напряжения, обусловлены режимами работы потребителей и энергоснабжающей организации, т. е. особенностями технологических процессов производства, передачи, распределения и потребления электро­энергии. Для этих показателей установлены допустимые значе­ния.

Показатели провалов и импульсов напряжения, кратковремен­ные перерывы электроснабжения, возникающие в электрических сетях в результате коммутационных процессов, грозовых и атмос­ферных явлений, работы средств защиты и автоматики и послеаварийных режимов, не нормируются в ГОСТе допустимыми чис­ленными значениями.

Такие параметры, как амплитуда, длительность, частота и дру­гие, должны измеряться и накапливаться в виде статистических массивов для оценки вероятности появления кратковременных помех в конкретной электрической сети.

Установлено два вида норм качества электроэнергии: нормаль­но допустимые и предельно допустимые.

Оценка соответствия показателей качества электроэнергии сети нормам проводится в течение минимального периода, равно­го 24 ч. Рекомендуемая общая продолжительность измерений по­казателей качества электроэнергии составляет 7 суток, включающих рабочие и выходные дни.

ГОСТом 13109 – 97 регламентированы следующие показатели ка­чества электроэнергии в системах электроснабжения общего на­значения, к которым отнесены системы внешнего и внутреннего электроснабжения сельскохозяйственных объектов:

установившееся отклонение напряжения δU_y, %;

размах изменения напряжения δU_t, %;

доза фликера, о. е.: кратковременная P_st; длительная P_Lt;

коэффициент искажения синусоидальности напряжения К_и, %;

коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения K_(U)n,%;

коэффициент несимметрии напряжений по обратной последо­вательности К_2U,%;

коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последо­вательности K_0U, %;

отклонение частоты Δf, Гц;

длительность провала напряжения Δt_п, с;

импульсное напряжение U_имп, кВ (грозовое, коммутационное);

коэффициент временного перенапряжения к_перU, о. е.

В приложении А1 приведены нормы качества электроэнергии для перечисленных показателей.

Далее дан комментарий по каждому из показателей качества электроэнергии.

Установившееся отклонение напряжения (δU_y, %) в нормальном установившемся режиме электрической системы определяют по формуле

(2.1)

где U_y — усредненное (среднеквадратическое) значение напряжения, В, кВ; _UH — номинальное междуфазное (фазное) напряжение, В, кВ.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения δU_y на выводах приемников электрической энергии равны соответ­ственно ±5 и ±10 % от номинального напряжения электрической сети.

И змерение установившегося отклонения напряжения δU_y осу­ществляют для каждого i-го наблюдения за период времени, рав­ный 24 ч. Измеряют значение напряжения, которое в электричес­ких сетях однофазного тока определяют как действующее значе­ние напряжения основной частоты U_(1)i без учета высших гармонических составляющих напряжения, а в электрических сетях трехфазного тока – как действующее значение каждого междуфазного (фазного) напряжения основной частоты U_(1)i, а также как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U_1(1)i вычисляемое по приближенной формуле

(2.2)

Напряжение U_y определяют как

(2.3)

где U_i — значение напряжения U_(1)i или U_1(1)i в i-м наблюдении, кВ (число наблюдений за 1 мин. должно быть не менее 18).

Качество электроэнергии по установившемуся отклонению на­пряжения соответствует требованиям ГОСТа, если измеренные за каждую минуту в течение 24 ч значения находятся в интервале ±5 % в 95 % времени работы, а в остальные 5 % времени в пре­дельно допустимых интервалах ±10 %.

Колебания напряжения характеризуются двумя основными пока­зателями: размахом изменения напряжения δU_t, % и дозой фликера P_t о. е.

Размах изменения напряжения, %,

, (2.4)

где U_i U_i+1 — значения следующих друг за другом экстремумов огибающей амплитудных значений напряжения, В, кВ (рис. 1.1.); U_H — номинальное напряжение, В, кВ.

При этом частота повторения измерений напряжения

(2.5)

где m — число изменений напряжения за время Т, принимаемое равным 10 мин;

t — длительность интервала изменения напряжения, мкс.

Рис. 1.1 – Отклонение и колебание напряжения

Предельно допустимые значения в зависимости от частоты повторения изменений напряжения или интервала между из­менениями напряжения , равными значениям, определяемым по кривой 1 (рис. 2.2), а для потребителей электроэнергии с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равны значениям, определяемым по кривой 2 (рис. 2.2).

По кривым (рис. 2.2) для измерения частоты изменений напря­жения сравнивают фактический размах с нормированным значением .Если не превышает , то колебания напряжений соответствуют требованиям стандарта.

Рис. 2.2 – Допустимые значения размаха изменений напряжения:

1 —для обычных потребителей; 2 — для потребителей при повышенных требованиях к искусственному освещению.

Доза фликера — это интервальная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека раздражение миганиями света, накапливающееся за установленный период времени, обусловлена резкопеременными нагрузками (сварочными аппаратами, электролизными установками, приводами реверсивных прокатных станов, дуговыми сталеплавильными печами и т. д.).

Кратковременная доза фликера Р_st, о. е., на интервале времени T_sh может быть рассчитана по формуле

_(2.6)

Длительная доза фликера P_Lt, о. е., на интервале времени Т_L равном 2 ч,

(2.7)

Дозу фликера (кратковременную и длительную) измеряют фли-керметром при колебании напряжения любой формы за интервал времени T_sh,, равный 10 мин. При этом уровни фликера Р, %, измеряют для интегральных вероятностей, равных 0,1; 0,7; 1,0; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10,0; 13,0; 17,0; 30,0; 50,0; 80,0

Дозу фликера считают соответствующей требованиям стандарта, если каждая кратковременная и длительная дозы, измеренные в течение 24 ч или определенные расчетом, не превышают допустимых значений. (Экспериментально установлено, что наиболее раздражающее действие миганиями света наступает при частоте мигания 8,8 Гц при определенном размахе δU_t. Длительность воздействия колебаний напряжения при этом равна 10 мин. Поэтому при расчете дозы фликера необходимо учитывать коэффициент q₁ размаха изменения напряжения при частоте 8,8 Гц. Учет этого вклада q₁ проводят по данным приложенияА2

Несинусоидальность напряжения характеризуется наличием в напряжении кроме гармоники напряжения основной частоты U_(t) гармоник U_y других высших частот, кратных основной частоте (у= 2, 3, 4...,∞), обычно определяемых разложением кривой фак­тического напряжения в ряд Фурье. Несинусоидальность напря­жения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальнос­ти кривой напряжения K_U (%) и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения К_U(n) (%).

Нормально допустимое значение коэффициента n-й гармони­ческой составляющей напряжения определяют по данным из приложения А3.

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармони­ческой составляющей напряжения

(2.8)

Измерения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения K_U(n)i проводят для междуфазных (фазных) напряже­ний. Для каждого i-го наблюдения за период времени 24 ч опреде­ляют действующее значение напряжений л-й гармоники U_(n)i (В, кВ) и вычисляют значение коэффициента л-й гармонической состав­ляющей напряжения, %

(2.9)

где U_(I)i — действующее значение напряжения основной частоты на i-м наблюде­нии (или номинальное, что приводит к относительной погрешности вычисления K_U(n)i, равной значению отклонения напряжения U_(n)i от U_H).

Значение коэффициента n-й гармонической составляющей на­пряжения K_U(n), %, определяют как усредненную величину за N наблюдений (N>= 9) на интервале времени, равном 3 с

(2.10)

Измерение коэффициента искажения синусоидальности кри­вой напряжения К_U проводят для междуфазных (фазных) напряжений. Для каждого i-го наблюдения за установленный период времени определяют действующие значения гармонических со­ставляющих напряжения в диапазоне гармоник от 2-й до 40-й (В, кВ) и вычисляют значение коэффициента искажения синусои­дальности кривой напряжения К_Ui (%) как результат i-го наблюдения

(2.11)

где U_(I)i – действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для i-го наблюдения, кВ.

Допускается: 1) не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %;

2) вычислять по формуле

(2.12)

при этом погрешность К_Ui равна разности между U_(I)i и U_H.

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфаз­ной электрической сети напряжений обратной или нулевой пос­ледовательности, значительно меньших, чем составляющие на­пряжения прямой (основной) последовательности.

Н есимметрия напряжений характеризуется коэффициентом не­симметрии по обратной последовательности К_2U (%) и по нулевой последовательности K_0U (%).

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям равны соответственно 2,0 и 4,0 %. Нулевую последовательность наблюдают в четырехпроводных электрических сетях напряжением 0,38 кВ.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последо­вательности К_2Ui как результат i-го наблюдения, %,

(2.13)

где U_2(I)t , U_1(1)i —действующие значения напряжения обратной и прямой последо­вательностей основной частоты в /-м наблюдении, кВ.

Допускается определять U_2(1)t методом симметричных составля­ющих, а также по приближенной формуле

(2.14)

где U_нб(1)i, U_НМ(1)i — наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений основной частоты в i-м наблюдении, кВ.

При определении К_2Ui допускается использовать значения но­минального междуфазного напряжения U_н.мф

Коэффициент несимметрии напряжении по обратной последовательности К_2U ,%, определяют как результат усреднения T наблюдений (не менее 9) на интервале времени, равном 3 с

(2.15)

Для определения коэффициента несимметрии напряжения п о нулевой последовательности K_0Ui измеряют одновременно действующие значения трех междуфазных и двухфаз­ных напряжений основной частоты U_AB(1)i, U_BC(1)i, U_CA(1)i, U_A(1)i , U_b(1)i и определяют действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты U_0(1)i в i-м наблюдении

(2.16)

Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последо­вательности, %,

(2.17)

где U_0(1)i – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-м наблюдении;

U_1(1)i — действующее значение междуфазного напряжения прямой последовательности основной частоты.

Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последо­вательности K_0U вычисляют как усредненное значение N наблюдений K_0Ui интервале времени 3 с

(2.18)

О тклонение частоты _Δf1 в электрической системе определяют по формуле

(2.19)

где f_уср — усредненное значение из N наблюдений (не менее 15) f_i на интервале времени 20 с, полученное по уравнению

, (2.20)

где f_H — номинальное значение частоты, Гц.

Показатель отклонения частоты считают соответствующим стандарту, если время выхода за нормально допустимые значения (0,2 Гц) составляет не более 5 % времени работы электроприемника системы.

Снижение частоты происходит при дефиците мощности рабо­тающих в системе электростанций. В таком режиме отключают ряд потребителей с помощью системной автоматики — АЧР (авто­матическая частотная разгрузка). При повышении частоты сраба­тывают регуляторы частоты.

Указанные нормы не распространяются на электроприемники, присоединенные к автономным электростанциям мощностью до 1000 кВт. Для них считают допустимыми отклонения частоты в пределах ±0,5 Гц, а при мощности до 250 кВт — ±2 Гц.

Провал напряжения характеризуется внезапным изменением напряжения в точке электрической сети, за которым следует вос­становление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких периодов до не­скольких десятков секунд (рис. 1.З.).

Провал напряжения характеризуется глубиной провала напря­жения ΔU_п — разностью между номинальным и минимальным действующим значениями напряжения, выраженной в единицах напряжения или в процентах от его номинального значения.

Провал напряжения

(2.21)

(2.22)

Вторая характеристика провала напряжения – Δt_п (длительность провала напряжения), с

, (2.23)

где t_нач — начальный момент провала напряжения, с; t_кон —конечный момент провала напряжения, определяемый моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого уровня, с.

Рис. 2.3 – Провал напряжения (а) и импульс напряжения (б)

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

Измеряют длительность провала напряжения, фиксируя на­чальный момент времени резкого спада (с длительностью менее 10 см) среднеквадратичных значений напряжения (на каждом промежутке основной части) ниже уровня 0,9U_H, а затем фиксируя конечный момент времени t_к восстановления среднеквадратично­го значения напряжения до 0,9 U_H.

Качество считают соответствующим, если наибольшее значе­ние из измеренных (в течение года) длительностей провалов на­пряжения не превышает предельно допустимого.

Импульсное напряжение. Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить при появлении высокочастотных импульсов в процессе коммутации в сети, работе разрядников и т. д. Искажение напряжения при этом обусловливается импульс­ным напряжением.

Импульсное напряжение в относительных единицах ΔU_имп в со-

ответствии с рисунком 1.4 вычисляют по уравнению

(2.24)

где U_имп – значение импульсного напряжения, В, кВ.

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения

(2.25)

где U_a(max) – максимальное из измеренных амплитудных значений напряжения, В, кВ

Значения импульсных напряжений для грозовых и коммутаци­онных импульсов, возникающих в электрических сетях, приведе­ны далее.

Δt_перU, с До 1 До 20 До 60

К_перU, о.е. 1,47 1,31 1,15

Значения коэффициента K_перU в точках присоединения элект­рической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений Δt_перU, как правило, не превышают приведенных значений. За год в среднем возможно около 30 вре­менных перенапряжений.