6.4. Качество электроэнергии

Потребность в электрической энергии высокого качества является одной из важнейших в современном обществе компьютерных технологий, сложного бытового оборудования и высокоэффективных систем глобальных телекоммуникаций и Интернет. Уровень потребления ЭЭ и ее качество характеризует уровень промышленности страны, состояние и развитие социальных и промышленных объектов любого масштаба – от жилого дома до отрасли промышленности.

Характерным для развития современной электроэнергетики является внедрение мощных электрических нагрузок и силового электрооборудования на тиристорно-транзисторной основе, ухудшающих качество ЭЭ в электрических сетях. В то же время последнее десятилетие характеризуется интенсивным ростом доли нагрузок, чувствительных к показателям качества электроэнергии (ПКЭ). В конечном счете, колебания напряжения вредны для любого вида элетрооборудования и поэтому ПКЭ лимитируются ГОСТом. Несинусоидальные искажения эпюры переменного напряжения не страшны для нагревателей (да и то не для всех), но для моторной нагрузки эти искажения могут вызвать дополнительные потери ЭЭ, незначительные для отдельной нагрузки, но большие в масштабах предприятия. Изменения частоты питающего напряжения влияют на функционирование медицинских приборов и оборудования. Для оборудования, использующего трехфазный ток важно, чтобы напряжение было симметрично и по фазам и по амплитудам фаз напряжения. Превышение ПКЭ, особенно по импульсному напряжению приводит к мгновенному или постепенному выходу из строя бытовых приборов и техники (напр. низкое качество ЭЭ привело к возгоранию телевизоров иностранного производства и пожарам). Нарушения электроснабжения с последующим восстановлением напряжения, возникающие при авариях в электросети, приводят к повреждениям компьютерного оборудования и потере компьютерных данных. Нерегулярность электроснабжения, недопустимые изменения его параметров представляют угрозу жизни, здоровью и имуществу бытовых потребителей ЭЭ. На предприятиях это приводит к потерям, повышению стоимости продукции и другим издержкам. Как правило, при этом электроснабжающие организации не несут ответственности перед своими клиентами за причиненный ущерб. Чтобы иметь возможность обосновывать свои претензии по качеству ЭЭ, а также принимать экономически оправданные технические решения по его резервированию, необходимо обладать достоверной информацией, получаемой при постоянном контроле параметров ЭЭ.

В соответствии с ГОСТ 23875-79 (термины и определение качества электрической энергии) качество ЭЭ – совокупность свойств ЭЭ, обуславливающих пригодность ее для нормальной работы электроприемников в соответствии с их назначением при расчетной работоспособности, т.е. совместимость питающей электрической сети и ее потребителей. Качество ЭЭ определяется показателями (ПКЭ), регламентируемыми ГОСТ 13109-97: отклонение напряжения от номинального; размах изменения напряжения; коэффициент косинусоидальности и n-й гармонической составляющей напряжения; коэффициент обратной последовательности напряжений; коэффициент нулевой последовательности напряжений; отклонение частоты питающего напряжения от номинального; длительность провала напряжения; импульсная составляющая напряжения.

Имеются также показатели, характеризующие амплитудную модуляцию напряжения, разбаланс фазных и межфазных напряжений. Для всех показателей ГОСТом устанавливаются номинальные и предельные значения. Контроль качества ЭЭ выполняется специальными техническими средствами, предназначенными для определения параметров качества, их обработки, хранения и представления в удобном для пользователя виде. К этим средствам можно отнести специализированный переносной программируемый прибор «Qualimeter» французской фирмы EDF, анализатор гармоник канадской фирмы Ontario Hydro and Canadian Electrical Association, анализатор ПКЭ американской фирмы Dranetz technologies, портативный анализатор электропотребления AR 4M фирмы «НТЦ Энергоэффект», измерительно-вычислительный комплекс «Омск», информационно-измерительная система «Анализатор качества напряжения» (МЭИ). Каждое из перечисленных устройств имеет свои преимущества и недостатки.

Комплекс «Инспектор-К» имеет следующие показатели, характеризующие его эффективность: 1) комплексное измерение всех ПКЭ; 2) регистрацию конфигурации и особенностей состояния схемы контролируемого объекта; 3) синхронную фиксацию измеряемых параметров по всем фазам; 4) малый интервал повторяемости и высокое быстродействие измерений; 5) фиксацию импульсных напряжений грозового и коммутационного характера; 6) длительное накопление и хранение информации; 7) сохранность накопленной информации даже при перерывах питания; 8) отсутствие необходимости обслуживания; 9) возможность съема И без нарушения и останова работы комплекса; 10) получение накопленной И по каналу последовательной передачи данных; 11) удобство и наглядность представления И на индикаторах комплекса и на экранах. Это позволяет автоматизировать процесс контроля ПКЭ и передавать ее по каналам связи. Комплекс состоит из двух частей: необслуживаемого эксплуатационного комплекта (КЭ) и комплекта отображения (КО). В КЭ входит ИБП (бесперебойного) фирмы АРС. Имеет перепрограммируемое ЗУ. КО на основе ЭВМ типа РС.

Технические характеристики КЭ: блок трансформаторов напряжения (БТН), БИП, ИБП, блок импульсных напряжений (БИН), блок микропроцессорный )БМП), блок управления и индикации (БУИ), блок ввода И (БВИ), блок перепрограммируемых ПЗУ (БПЗУ). БТН обеспечивает галваноразвязку и нормализацию входных сигналов с помощью метрически аттестованных трансформаторов малой мощности; БТН позволяет фиксировать трехфазные системы напряжений двух различных шин питания. В БИП размещен многоканальный ИП на 5 и 15 В. Блок автоматики питания выполняет функцию контроля включенного состояния ИБП и отключает его через заданное время, предотвращая разряд батарей. БИН – для выработки сигналов прерываний при появлении импульсных напряжений и преобразования их амплитуд и длительностей в фиксируемые аналоговые сигналы. Блоки БМП,Б ППЗУ, БВИ и БУИ образуют четырехплатный контроллер. БМП содержит три АЦП и оптоэлектронные ключи. Контроллер в своем составе имеет ROM, RAM и энергонезависимое флэш ЗУ, встроенные часы-календарь, а также интерфейсные модули, обеспечивающие связь с датчиками информации, ввод и преобразование сигналов, связь с КО по каналу RS-232, связь с оператором. Связь с датчиками дискретной И осуществляется через восемь опто-ключей. Интерфейс оператора состоит из 8-кнопочной клавиатуры и двух семисегментных индикаторов. Режимы работы комплекса: рабочий накопления данных, тестовый, передачи И по каналу межпроцессорной связи комплектов, хранения и копирования содержимых МС памяти (ОЗУ во флэш, флэш в ОЗУ). Команда на запуск выбранного режима задается с клавиатуры. Рабочих режимов – 4. Первый (основной) характеризуется минимальным временем обработки и объемом отображаемой на индикаторах И. Время цикла в этом режиме – 2 сек. Процесс обработки начинается с анализа силовой схемы: определяется, какие выключатели схемы включены, какие выключены. Информацией для этого анализа служат входные дискретные сигналы от блок-контактов выключателей. По результатам анализа схемы определяется, какие датчики аналоговых сигналов следует опрашивать. За один цикл обработки И производится измерение 512 мгновенных значений измеряемого параметра каждой фазы с дискретностью 100 мкс. Второй рабочий режим характеризуется тем, что расчет коэффициентов несинусоидальности производится в каждом цикле обработки (а не через 20 мин. в предыдущем режиме), причем время цикла увеличивается до 7 сек. Третий и 4-й режимы позволяют производить контроль ПКЭ только на первой и второй секциях системы шин. Максимальная величина измеряемого импульсного напряжения ограничена 4-кратным уровнем номинального значения, фиксируемая длительность импульсного напряжения 0,1–10 мс. Каждому ПКЭ соответствует своя гистограмма. И, накопленная в гистограмме, содержится в ОЗУ и каждый час переносится во флэш-память, а во внешнюю флэш – по команде с клавиатуры. Накапливание И может продолжаться 7 лет. В тестовых режимах контролируются АЦП, ОЗУ и программная проверка часов, а достоверность расчетов проверяется на трех смоделированных математически периодических сигналах треугольной формы частоты 50 Гц, сдвинутых по фазе на 120. Максимальная ошибка измерительного тракта частоты – 0,07 % (0,033 Гц), а напряжения –0,4 %. Определение кратностей импульсных напряжений осуществляется с точностью до десятых долей кратностей, длительностей импульсов – с точностью до 0,1 мс.

6.5. Надежность, стабильность, резервирование

и безопасность электроприводов

Надежность. Надежность и защита двигателя подъемно-транспортных механизмов обеспечивается мерами: 1) защита электрооборудования от перегрузок и КЗ; 2) возможностью торможения и реверса; 3) автоматическим отключением двигателя при достижении механизма конца траектории рабочего движения; 4) возможностью отключения части оборудования для ремонта; 5) защитой от понижения или исчезновения напряжения и невозможность самозапуска электродвигателей при восстановлении напряжения после его случайного снятия. Надежность работы кранового электропривода в значительной степени определяется контактной аппаратурой, которая, как и двигатель, работает в широком диапазоне изменения нагрузок и частоты включений.

Стабильность. Стабильность работы привода характеризуется степенью изменения (переходом) частоты вращения при изменении нагрузки, напряжения питающей сети, температуры окружающего воздуха и т.п. Погрешность регулирования определяется суммированием следующих отклонений: отклонение частоты вращения при изменении нагрузки по отношению к номинальному при номинальном напряжении питания и постоянной температуре окружающей среды 205 С, изменение частоты вращения при изменении температуры окружающей среды от 205 С до 45 С при питании номинальным напряжением при номинальной нагрузке I_ном; изменение частоты вращения при изменения напряжения питания на 10 % к номинальному при холостом ходе и постоянной температуре. Коэффициент неравномерности рассчитывается как отношение разности максимальной n₁ и минимальности n₂ мгновенных частот вращения к средней частоте вращения при ХХ ЭП.

Резервирование и безопасность [5]. При создании и реконструировании ЭП с целью обеспечения безопасной и безаварийной работы применяются «Правила устройства электроустановок к электроприводам» – ПУЭ [30]. В соответствии c ПУЭ все электроприемники (ЭП) в нефтяной промышленности делятся на три категории:

I. ЭП, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб производству, повреждение оборудования, массовый брак, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. При этом выделяется особая группа ЭП, работа которых необходима для предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

II. ЭП, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недовыпуску продукции, простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта.

III. Все остальные ЭП, не подпадающие под первые две.

ЭП I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории предусматривается дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания, в качестве которых могут быть использованы: местные электростанции, шины генераторного напряжения энергосистем, агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторы и др.

В ЭП в результате повреждений или неправильной эксплуатации могут возникать токи КЗ, которые, достигая десятков тысяч ампер, могут приводить к опасным перегревам проводников и аппаратов. Электрическая дуга, возникающая в месте КЗ, приводит к повреждениям ЭП. Кроме того, КЗ в одной части сети сопровождается значительным снижением напряжения в других ее частях, нарушая работу других ЭП. Для избежания опасных последствий КЗ необходимо быстро отключить поврежденный участок сети плавкими предохранителями или выключателями под воздействием специальных реле, подключенных ко вторичным обмоткам измерительных трансформаторов тока или напряжения. Такая релейная защита должна работать избирательно, т.е. отключать только поврежденные участки электрической сети и за наименьшее время. Релейная защита, обладая достаточной чувствительностью, должна быть надежной в работе, а ее эксплуатация не должна требовать значительных материальных затрат.

6.6. Взрывобезопасность электроприводов

Элетроприводы, а также помещения, в которых размещены ЭП и технологические установки, могут содержать взрывоопасные и токсические зоны (особенно на установках нефтяной промышленности), т.е. зоны, характеризующиеся наличием горючих газов и паров, которые могут создавать с воздухом, кислородом и другими газами-окислителями взрывоопасные и токсичные смеси. К таким помещениям и установкам относятся, например, нефтенасосные и газовые компрессорные станции, фонтанные скважины, замерные емкости, резервуарные парки, электрообезвоживающие и обессоливающие установки и даже канализационные люки. Во взрывоопасных зонах применяется взрывозащищенное электрооборудование и специальные виды прокладки проводов и кабелей, которые устраняют или затрудняют возможности воспламенения окружающей взрывоопасной среды. Согласно ПУЭ взрывоопасные смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей и/или горючих газов классифицируются по категориям и группам (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Категория взрывоопасной смеси	Группа взрывоопасной смеси
	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5
IIA	Аммиак, сольвент нефтяной, ацетон, бензол, пропан, толуол	Бутиловый спирт, бензин Б-95/ 130, бутан, спирты: метиловый, этиловый	Уайт-спирит, бензины: А-72, А-76, нефть сырая	Альдегид масляный	-
IIB	Коксовый газ	Окись пропилена, этилена	Сероводород	Дибутиловый спирт	-
IIC	Водород	Ацетилен	Трихлорсилан	-	Сероуглерод

Пары легковоспламеняющихся жидкостей относятся к взрывоопасным, если температура вспышки паров этих жидкостей не превышает 61 С, а давление при 20 С составляет не менее 100 кПа. Горючие газы относятся к взрывоопасным при любых условиях окружающей среды.

Таблица 6.5

Группа взрывоопасной смеси	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5	Т6
Температура воспламенения, С	> 450	300–450	200–300	135–200	100–135	85–100

Взрывоопасные паро- и газовоздушные подразделяются на группы исходя из температуры их самовоспламенения, т.е. температуры, до которой должна быть равномерно нагрета смесь, чтобы она воспламенилась без воздействия на нее извне открытого пламени (табл.7.3).

Для взрывобезопасности ЭД, ЭП и установок чаще всего применяют взрывозащищающие оболочки. При определенном составе среды можно подобрать такой размер безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ) во взрывозащищающей оболочке, при котором воспламенение взрывоопасной смеси вне оболочки невозможно при любой концентрации смеси в воздухе. Размер БЭМЗ для медленногорящих смесей больше, чем для быстрогорящих и зависит от категории взрывоопасной смеси (табл. 6.6).

Таблица 6.6

Категория взрывоопасной смеси	I	IIA	IIB	IIC
БЭМЗ, мм	> 1	> 0,9	0,5–0,9	< 0,5

Согласно ПУЭ взрывозащищенное оборудование подразделяется по уровням взрывозащиты, группам и температурным классам. В табл. 6.7 обозначены виды взрывозащиты.

Таблица 6.7

Вид взрывозащиты электрообрудования	Обозначение
Взрывонепроницаемая оболочка	D
Заполнение или продувка оболочки защитным газом под избыточным давлением	P
Искробезопасная электрическая цепь	I
Кварцевое заполнение оболочки с токоведущими частями	Q
Масляное заполнение оболочки с токоведущими частями	O
Специальный вид взрывозащиты	S
Защита виде «е»	E

Установлены следующие уровни взрывозащиты электрооборудования: электрооборудование повышенной надежности против взрыва (знак уровня 2), взрывобезопасное электрооборудование (знак уровня 1) и особо взрывобезопасное электрооборудование (знак уровня 0). Взрывозащищенное электрооборудование в зависимости от области его применения подразделяется на две группы. К группе I относится рудничное электрооборудование, предназначенное для подземных выработок шахт и рудников, к группе II – оборудование для внутренней и наружной установок. Электрооборудование группы II со взрынепроницаемой оболочкой (ВО) и/или искробезопасной электрической цепью, подразделяется на три подгруппы, соответствующие категориям взрывоопасных смесей (табл. 6.8):

Таблица 6.8

Номер подгруппы электрооборудования	II	IIA	IIB	IIC
Категория ВО, для которого оборудование взрывозащищено	IIA, IIB, IIC	IIA	IIA, IIB	IIB, IIC

В маркировку по взрывозащите в указанной последовательности входят знаки: уровня взрывозащиты (2,1,0); Ex, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащиту; вида взрывозащиты (d, p, I, q, o, s, e); группы или подгруппы оборудования (II, IIA, IIB, IIC); температурного класса оборудования (Т1 – Т6). В маркировку дополнительно могут входить знаки и надписи в соответствии со стандартами на электрооборудование с отдельными видами защиты.

Термины и обозначения по мере их появления в лекциях

ЭП – Электропривод, ЭД – электрический двигатель, ИО – исполнительный орган, m – мера инерции – масса, J (кгм²) – момент инерции при вращательном движении, М = [FR] – момент сил (в Нм), приложенных к вращающейся массе. х, dx/dt, d²x(t)/dt², , d/dt, d²/dt², F, M – совокупность переменных: называемых механическими координатами. Р – импульс системы частиц (материальных точек) – векторная сумма импульсов р_i = m_iv_i отдельных частиц, импульс силы – Ft , J_Д – момент инерции ЭД, J₁ – суммарный момент инерции элементов, вращающихся со скоростью  (кроме двигателя), J₂ – момент инерции элементов, вращающихся со скоростью барабана _б, _б/ = z₂/z₁ = i, где z₂ и z₁ равно соответственно числу зубцов шестерен, i – передаточное отношение редуктора, v_ио / =  = _бR_б/ = R_б/i – радиус приведения кинематической схемы между исполнительным органом и валом двигателя, F_ИО – усилие, развиваемое исполнительным органом,  = _р_б – результирующий КПД кинематической схемы ЭП; _р и _б – соответственно КПД редуктора и барабана. Р_ВР = Fv = FR = M – мощность. М_ИО и _ИО – соответственно момент сил нагрузки и скорость вращательного движения барабана исполнительного органа. М_С = М_ИО /(I) - приведенный момент сил нагрузки М_С называют также статическим моментом или моментом сопротивления. М_ДИН = М – М_С - разность моментов двигателя и нагрузки, динамический момент, ₁, ₂ – углы поворота соответственно первой и второй масс, с – коэффициент жесткости, определяемый материалом и геометрическими размерами упругого элемента. с_ус и с_в – соответственно коэффициенты жесткости упругого стержня, Н/м и упругого вала, Нм. МХ – механическая характеристика холостого хода (хх). ОПУ – общепромышленные установки, АД – асинхронный ЭД, АДФР – АД с фазным ротором, СД – синхронный ЭД. ОВТМ – обмотка возбуждения тормозного механизма, СВ – самовозбуждение, НВ –независимое возбуждение, РО – рабочий орган, ДТВ и ДТН – индуктивные датчики точной остановки, ДИЗ – датчик импульса на замедление, ДТО – датчик точной остановки, ДП – датчик положения, Ш – шунт, ЗС – замедляющая ферромагнитная скоба. УП-Д – система управления подчиненного скорости двигателя, ТП-Д – система тиристорный преобразователь – двигатель, ЗИ – задатчик интенсивности, ИП – интегрально-пропорциональный регулятор тока и скорости, РС – регулятор скорости, РП – регулятор положения. САУ, САР – система автоматического управления и регулирования, РВ, РП – регулируемая величина, параметр, ПФ – передаточная функция. ПР – промышленный робот, ШИМ – широтно-импульсный модулятор, ТП – тиристорный преобразователь, СУ – система управления, ОС – обратная связь, ООС – отрицательная ОС. ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика, Т_П – постоянная времени, характеризующая чистое запаздывание преобразователя и малые инерционности системы управления,  – модуль статической жесткости естественной механической характеристики. R_я – сопротивление обмотки якоря, РС – регулятор скорости, РТО – реле точной остановки, М_стоп – допустимый стопорный момент, ЭХ – экскаваторная характеристика.