Глава 3

Электромагнитная совместимость

икачество электрической энергии

3.1.Основные нормы и показатели качества электрической энергии

Под термином качество электрической энергии понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии.

Количественная характеристикакачества электроэнергии выражается:

–отклонениями напряжения и частоты;

–размахом колебаний напряжения и частоты;

–коэффициентом несинусоидальности формы кривой напря-

жения;

–коэффициентом несимметрии напряжения основной частоты. Электрическая энергия как товар используется во всех сферах

жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии – номинальных частоте, напряжении, токе и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии. Таким образом, качество электрической энергии (КЭЭ) определяется со-

вокупностью ее характеристик, при которых электроприемники (ЭП) могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

КЭЭ на месте производства не гарантирует ее качество на месте потребления. КЭЭ до и после включения ЭП в точке его присоединения к электрической сети может быть различно. КЭЭ в промышленности оценивается по технико-экономическим показателям, которые представляются в виде:

111

–технологического ущерба;

–электромагнитного ущерба.

Технологический ущерб учитывает негативные последствия, возникающие в результате:

–порчи материалов и оборудования;

–расстройства технологического процесса;

–ухудшения качества выпускаемой продукции;

–снижения производительности труда.

Электромагнитныйущербот некачественной электроэнергии характеризуется:

–увеличением потерь электроэнергии;

–выходом из строя электротехнического оборудования;

–нарушением работы автоматики, телемеханики, связи, электронной техники и т.д.

КЭЭ тесно связано с надежностью электроснабжения, поскольку нормальным режимом электроснабжения потребителей является такой режим, при котором потребители получают электроэнергию бесперебойно в количестве, заранее согласованном с энергоснабжающей организацией, и нормированного качества. Статья 542 Гражданского кодекса Российской Федерации требует поставлять электроэнергию, качество которой соответствует требованиям государственных стандартов и иных обязательных правил или договорам энергоснабжения.

В соответствии с Законом Российской Федерации «О защите прав потребителей» (ст. 7) и Постановлением Правительства Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 электрическая энергия подлежит обязательной сертификации по показателям качества электроэнергии, установленным ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Это значит, что каждая электроснабжающая организация наряду с лицензией на производство, передачу и распределение электроэнергии должна получить сертификат, удостоверяющий, что качество поставляемой ею энергии отвечает требованиям ГОСТ 13109-97. Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях, соответствующих этим требованиям. Стандарт соответствует междуна-

112

родным стандартам МЭК 868, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.

ГОСТ 13109-97 устанавливает показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения). ГОСТ13109-97 является межгосударственным стандартом и действует в Российской Федерации с 1 января

1999 года.

Нормы КЭЭ, устанавливаемые ГОСТом 13109-97, являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего на-

значения. При соблюдении норм, указанных в ГОСТе 13109-97, обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии). Эти нормы являются обязательными во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения, кроме режимов, обусловленных:

–исключительными погодными условиями и стихийными бедствиями (ураган, наводнение, землетрясение и т.п.);

–непредвиденными ситуациями, вызванными действиями стороны, не являющейся энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии (пожар, взрыв, военные действия и т.п.);

–условиями, регламентированными государственными органами управления, а также связанными с ликвидацией последствий, вызванных исключительными погодными условиями и непредвиденными обстоятельствами.

Нормы, установленные в ГОСТе 13109-97, обязательно применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей,

атакже при установлении уровней помехоустойчивости приемников электрической энергии и уровней кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приемниками.

113

Нормы КЭЭ в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей электрической энергии, регламентируемые отраслевыми стандартами и иными нормативными документами, не должны быть ниже норм КЭЭ, установленных в ГОСТе 13109-97 в точках общего присоединения. При отсутствии указанных отраслевых стандартов и иных нормативных документов нормы ГОСТа 13109-97 являются обязательными для электрических сетей потребителей электрической энергии.

В ГОСТе 13109-97 применяют термины, приведенные в ГОСТе 19431-84 и ГОСТе 30372-95, а также нижеследующие определения.

Система электроснабжения общего назначения – совокуп-

ность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии).

Электрическая сеть общего назначения – электрическая сеть энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи электрической энергии различным потребителям (приемникам электрической энергии).

Центр питания – распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которым присоединены распределительные сети данного района.

Точка общего присоединения – точка электрической сети об-

щего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии, к которой присоединены или могут быть присоединены электрические сети других потребителей.

Потребитель электрической энергии – юридическое или фи-

зическое лицо, осуществляющее пользование электрической энергией (мощностью).

Кондуктивная электромагнитная помеха в системе элек-

троснабжения – электромагнитная помеха, распространяющаяся по элементам электрической сети.

Уровень электромагнитной совместимости в системе энер-

госнабжения – регламентированный уровень кондуктивной электромагнитной помехи, используемый в качестве эталонного для ко-

114

ординации между допустимым уровнем помех, вносимым техническими средствами энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии, и уровнем помех, воспринимаемым техническими средствами без нарушения их нормального функционирования.

Огибающая среднеквадратичных значений напряжения –

ступенчатая временная функция, образованная среднеквадратичными значениями напряжения, дискретно определенными на каждом полупериоде напряжения основной частоты.

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

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.

Время восприятия фликера – минимальное время для субъективного восприятия человеком фликера, вызванного колебаниями напряжения определенной формы.

Длительность изменения напряжения – интервал времени от начала одиночного изменения напряжения до его конечного значения.

Частота повторения изменений напряжения – число одиноч-

ных изменений напряжения в единицу времени.

Провал напряжения – внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9Uн, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд.

Длительность провала напряжения – интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Частость появления провалов напряжения – число прова-

лов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени по отношению в общему числу провалов за этот же промежуток времени.

Импульс напряжения – резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения

115

до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Амплитуда импульса – 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.

Временное перенапряжение – повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uн продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.

Коэффициент временного перенапряжения – величина, рав-

ная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.

Длительность временного перенапряжения – интервал вре-

мени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.

Основные и вспомогательные (при определении значений некоторых показателей КЭЭ используют вспомогательные параметры электрической энергии) показатели КЭЭ приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Показатели качества электрической энергии

116

Окончание таблицы 3.1

Большинство явлений, протекающих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, обусловлено особенностями совместной работы электроприемников и электрической сети. Семь показателей КЭЭ в основном обусловлены потерями (падением) напряжения на участке электрической сети, от которой питаются потребители.

Активное R и реактивное X сопротивления k-го участка сети практически постоянны, а активная P и реактивная Q мощности,

117

протекающие по k-му участку сети, – переменные величины. Характер этих изменений может быть различным в соответствии с режимами работы:

–при медленном изменении нагрузки в соответствии с ее графиком – отклонение напряжения;

–при резкопеременном характере нагрузки – колебания напряжения;

–при несимметричном распределении нагрузки по фазам электрической сети – несимметрия напряжений в трехфазной системе;

–при нелинейной нагрузке – несинусоидальность формы кривой напряжения.

В отношении этих явлений потребители электрической энергии имеют возможность тем или иным образом влиять на ее качество.

Характеристика основных показателей КЭЭ и вероятные причины нарушения показателей КЭЭ приведены в таблице 3.2.

Часть показателей характеризует установившиеся режимы работы электрооборудования электроснабжающей организации и потребителей электрической энергии и дает количественную оценку по КЭЭ особенностям технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Кэтим показателям КЭЭ относятся: установившееся отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, отклонение частоты, размах изменения напряжения. Оценка всех показателей КЭЭ, относящихся к напряжению, производится по его действующим значениям. Для характеристики вышеперечисленных показателей стандартом установ-

лены численные нормально и предельно допустимые значения показателей КЭЭ, или нормы.

Другая часть показателей КЭЭ характеризует кратковременные помехи, возникающие в электрической сети в результате коммутационных процессов, грозовых атмосферных явлений, работы средств защиты и автоматики и в послеаварийных режимах. К ним относятся провалы и импульсы напряжения, кратковременные перенапряжения. Для этих показателей КЭЭ стандарт не устанавливает допустимых численных значений.

118

Для количественной оценки этих показателей КЭЭ должны измеряться амплитуда, длительность, частота их появления и другие характеристики, установленные, но не нормируемые стандартом. Статистическая обработка этих данных позволяет рассчитать обобщенные показатели, характеризующие конкретную электрическую сеть,сточкизрениявероятностипоявлениякратковременныхпомех.

Для оценки соответствия показателей КЭЭ указанным выше нормам (за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения и коэффициента временного перенапряжения) стандартом устанавливается минимальный расчетный период, равный 24 ч.

Всвязи со случайным характером изменения электрических нагрузок требование соблюдения норм КЭЭ в течение всего этого времени практически нереально, поэтому в стандарте устанавливается вероятность превышения норм КЭЭ. Измеренные показатели КЭЭ не должны выходить за нормально допустимые значения с вероятностью 0,95 за установленный стандартом расчетный период времени (это означает, что можно не считаться с отдельными превышениями нормируемых значений, если ожидаемая общая их продолжительность составит менее 5% за установленный период времени).

Другими словами, показатели КЭЭ по измеряемым величинам соответствуют требованиям стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет более 5% установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин,

аза предельно допустимые значения – 0% этого периода времени. Рекомендуемая общая продолжительность измерений показателей КЭЭ должна выбираться с учетом обязательного включения рабочих и выходных дней и составляет 7 суток.

Обобщенная классификация показателей КЭЭ приведена на рисунке 3.1.

Встандарте указаны вероятные виновники ухудшения показателей КЭЭ. Отклонение частоты регулируется питающей энергосистемой и зависит только от нее. Отдельные потребители на промышленных предприятиях (а тем более в быту) не могут оказать влияние на этот показатель, так как мощность их несоизмеримо мала по сравнению с суммарной мощностью генераторов электростанций энергосистемы. Колебания напряжения, несимметрия

121

и несинусоидальность напряжения вызываются в основном работой отдельных мощных потребителей на промышленных предприятиях, и только величина этих показателей КЭЭ зависит от мощности питающей энергосистемы в рассматриваемой точке подключения потребителя.

Показатели качества электрической энергии

Отклонения напряжения зависят как от уровня напряжения, которое подается энергосистемой на промышленные предприятия, так и от работы отдельных промышленных потребителей электрической энергии, особенно с большим потреблением реактивной мощности. Поэтому вопросы КЭЭ следует рассматривать в непосредственной

122