Модуль 7. Качество электрической энергии

Тема 7.1. Показатели качества электроэнергии

Приемники электроэнергии предназначены для работы при определенном качестве электроэнергии. Показатели качества электрической энергии в электрических сетях систем электро­снабжения регламентируются ГОСТ 13109-97, который устанавливает 11 основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ).

Так как качество электроэнергии оказывает существенно влияние на работу ЭП и сетей, то значения большинства ПКЭ нормируется. Для нормируемых ПКЭ установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения. При этом за интервал времени измерений не менее 24 ч значения показателя не должны выходить за предельно допустимые значения и с вероятностью 0,95 должны находиться в пределах нормально допустимого значения.

Понижение качества электроэнергии в основном связанно с так называемыми кондуктивными электромагнитными помехами в системах электроснабжения, т.е. с помехами, распространяющимися по элементам электрической сети. В связи с этим возникает проблема так называемой электромагнитной совместимости (ЭМС), т.е. возможности совместного питания различных ЭП.

Отклонение частоты. Для оценки качества частоты установлен один показатель – отклонение частоты, под которым понимают медленные плавные изменения частоты f (менее одного процента в секунду) относительно ее номинального значения f_н:

δf = f − f_н = f − 50. (7.1)

Причина появления отклонения частоты заключается в нарушении баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в электроэнергетической системе.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты соответственно составляют δf_норм = ±0,2 Гц; δf_пред = ±0,4 Гц.

При отклонении частоты изменяется частота вращения двигателей, потребляемая ими активная и реактивная мощность. Вместе с тем изменение частоты слабо влияет на работу печной и осветительной нагрузки.

Под отклонением напряжения в данной точке сети понимают медленные плавные изменения напряжения U относительно его номинального значения U_ном.

Отклонения напряжения вызываются изменением режима работы подключенных к сети потребителей, включением (отключением) дополнительных потребителей и, как следствие, изменением при этом потери падения напряжения в элементах сети.

Асинхронные электродвигатели при отклонении напряжения изменяют скорость вращения, что в ряде случаев может приводить к изменению производительности механизмов, приводимых в движение этими электродвигателями.

Количественно отклонение напряжения оценивают по выражению:

(7.2)

Нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения напряжения на зажимах ЭП соответственно составляют

δU_{у норм} = ±5 %; δU_{у пред} = ±10 %.

Под колебаниями напряжения понимают резкие кратковременные изменения напряжения (со скоростью свыше 1 % в секунду) относительно значения напряжения до наступления изменения.

Колебания вызываются внезапными достаточно большими изменениями нагрузки потребителей, например, пусковыми токами электродвигателей. Колебания напряжения в сети появляются также при питании мощной нагрузки с повторно-кратковременным режимом работы, например сварочных агрегатов.

Колебания напряжения вызывают мигания источников света и другие нежелательные явления, что в ряде случаев может приводить к повышенной утомляемости людей, снижению производительности труда и др. Эти явления возникают, как правило, в электрических сетях напряжением до 1 кВ.

Фликер (мерцание) – субъективное восприятие человеком ко­лебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питаю­щей эти источники.

Количественно колебания напряжения оцениваются размахом изменения напряжения

, (7.3)

где Ui, Ui+1 – значения следующих один за другим экстремумов огибающей амплитудных значений напряжения.

Допустимые значения размаха изменения напряжения установлены ГОСТ 13109-97 в зависимости от частоты его появления. С увеличением частоты изменения напряжения допустимое значение размаха уменьшается.

Несинусоидальность напряжения характеризуется отличием формы кривой напряжения от синусоидальной формы (рис 7.1). Ее появление связано с наличием в сети нелинейных элементов: перегруженное электромагнитное оборудование, работающее на нелинейной части кривой намагничивания, выпрямительные установки промышленных предприятий.

Рис. 7.1. Несинусоидальность напряжения

При наличии несинусоидальности напряжения по элементам сетей протекают токи высших гармоник, которые приводят к дополнительному нагреву проводников, повреждению силовых конденсаторных батарей, ложным срабатываниям релейных защит и др.

Несинусоидальность напряжения количественно оценивается коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения как результат i-го наблюдения, по формуле

, (7.4)

где U_(n)i – действующее значение напряжения n-й гармоники для i-го наблюдения.

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента k_Ui приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Значения коэффициента k_Ui в сетях различного напряжения

Нормально допустимое значение kUi при Uном, кВ				Предельно допустимое значение kUi 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

Кроме коэффициента k_Ui нормируется коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения:

. (7.5)

Нормально допустимые значения k_U(n)норм устанавливаются ГОСТ 13109-97 в зависимости от номинального напряжения сети, исполнения сети (трехфазная или однофазная) и номера гармоники. Чем выше номинальное напряжение, тем меньше допустимый уровень гармоник.

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

, (7.6)

где K_U(n)норм – нормально допустимое значение коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения.

Несимметрия напряжений характеризуется различием значений напряжения в разных фазах (рис. 7.2, а). Она обусловлена неравномерным присоединением однофазных ЭП по фазам.

Несимметрия значительна в сетях, имеющих крупные однофазные ЭП, например, сварочные агрегаты, нагревательные электрические печи, а также коммунально-бытовые электроприемники.

а) б)

Рис. 7.2. Несимметричная система напряжений (а) и ее разложение на симметричные составляющие (б)

Из теоретической электротехники известно, что любую несимметричную систему можно разложить на три симметричные – прямую (U_a1, U_b1, U_c1), обратную (U_a2, U_b2, U_c2) и нулевую (U_a0, U_b0, U_c0) (рис. 7.2, б). Следовательно, несимметрия напряжения вызывает появление токов обратной и нулевой последовательности, создающих дополнительные потери мощности в элементах сети.

Несимметрия напряжений количественно характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности при i-м наблюдении:

; (7.7)

и коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности при i-м наблюдении:

, (7.8)

где U_2(1)i – действующее значение напряжения обратной последо-вательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-м наблюдении;

U_0(1)i – действующее значение напряжения нулевой последо-вательности основной частоты;

U_ном – номинальное междуфазное напряжение.

Нормально и предельно допустимые значения показателей несимметрии напряжений следующие:

К_2Uнорм = К_0Uнорм = 2 %; К_{2Uпреднорм} = К_0Uпред = 4 %.

Провал напряжения – резкое снижение напряжения ниже уровня 0,9U_ном с последующим восстановлением до нормального уровня (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Провал напряжения

Причина появления провалов напряжения заключается в электрической сети, например КЗ. Провал количественно оценивается длительностью провала напряжения

Δt_п = t_к – t_н, (7.9)

где t_н и t_к – начальный и конечный моменты времени провала напряжения.

Нормами устанавливается предельно допустимое значение длительности провала напряжения (до 30 с в сетях напряжением до 20 кВ).

Глубина провала напряжения

(7.10)

не нормируется.

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 (рис. 7.4).

Рис. 7.4.

Рис. 7.4. Импульс напряжения

Импульсное напряжение характеризуют:

- амплитуда импульса U_имп – 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; ча­сто длительность импульса оценивается по уровню 0,5 его амплитуды t_{имп 0,5}.

Наиболее чувствительны к импульс­ным напряжениям электронные и микро­процессорные элементы систем управле­ния и защиты, компьютеры, серверы и компьютерные станции.

Основным способом защиты от им­пульсных напряжений является использо­вание нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН) на основе металло­оксидных соединений.