Тема 5. Качество электрической энергии.
Время самостоятельной работы – 2 часа.
Современные электроэнергетические системы работают на переменном токе, и электрическая энергия от электростанций передается и распределяется между потребителями по трехфазным сетям. Переменный ток протекает под воздействием переменного напряжения, имеющего форму синусоиды (рис. 5.1.).
Рис. 5.1. Трехфазное переменное напряжение синусоидальной формы
В процессе передачи, распределения и потребления электрической энергии, напряжение в узлах системы под влиянием различных факторов изменяет свою форму и частоту. Явление это неизбежно и связано с технологическими особенностями этого процесса. Для нормирования и оценки этих изменений были введены их характеристики – показатели качества электроэнергии. Создание электроэнергетической системы, в которой не будет возникать каких-либо помех с экономической точки зрения не целесообразно. Так, еще на ранних этапах развития электроэнергетики, производители оборудования, генерирующие и сетевые компании, потребители договорились о некотором приемлемом для всех уровне помех в сети. Так, еще в 1870 году в своде законов Германии было записано: «Развивая электрическую сеть необходимо учитывать, что подключение новой линии (оборудования) может вызывать искажения (помехи), а так как это приводит к ухудшению работы действующей сети или может повлиять на работу электроустановок подключаемых позднее, необходимо стараться развивать сети так, чтобы искажений не возникало».
Важно отметить, что характеристика качества электрической энергии, является очень важной с точки зрения рыночных отношений. Для любого товара (а электроэнергия – это товар), всегда оговариваются две характеристики: количество товара и его качество. Особенность электроэнергии как товара – это неразрывность производства, передачи и потребления электрической энергии. Потребитель не может вернуть электрическую энергию в сеть в случае, если ее качество было не удовлетворительным. В таких условиях, задача обеспечения качества электроэнергии должна решаться совместно всеми субъектами электроэнергетического рынка (генерирующие компании, сетевые компании, системный оператор, администратор торговой сети, сбытовые компании и потребители), регулируя зоны ответственности через договорные отношения. Это требование нашло отражение в действующей нормативно-правовой документации.
В первую очередь необходимо выделить Гражданский кодекс Российской Федерации, Статья 542 части второй, которого говорит о том, что качество электроэнергии, подаваемой энергоснабжающей организацией, должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами и иными обязательными правилами или предусмотренным договором энергоснабжения, а Статья 543 — о том, что абонент обязан обеспечивать надлежащее техническое состояние эксплуатируемых электрических сетей, приборов и оборудования..
Требования Гражданского кодекса нашли отражение и в федеральном законе РФ «Об электроэнергетике». В частности, Статья 3 этого закона дает следующее определение двустороннего договора купли-продажи электрической энергии: Договор – это соглашение, в соответствии с которым поставщик обязуется поставить покупателю электрическую энергию в определенном количестве и определенного соответствующими техническими регламентами и иными обязательными требованиями качества… Кроме этого, Статья 6 гласит, что общими принципами организации экономических отношений и основами государственной политики в сфере электроэнергетики являются: обеспечение бесперебойного и надежного функционирования электроэнергетики в целях удовлетворения спроса на электрическую энергию потребителей, обеспечивающих надлежащее исполнение своих обязательств перед субъектами электроэнергетики.
До принятия иных технических регламентов качество электрической энергии в электрических сетях общего назначения нормируется Государственным стандартом ГОСТ 13109-97.
Таким образом, за качество электрической энергии отвечают как энергоснабжающие организации, так и потребители, при этом взаимоотношения должны строиться на договорных отношениях, в том числе и в части разграничения ответственности за качество электроэнергии.
Эти принципиальные положения изложены как конкретные требования в «Правилах функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики», утвержденных постановлением Правительства РФ от 31.08.2006 № 530. В частности, в разделе VIII «Обеспечение надежности снабжения потребителей электрической энергией и ее качества» п.112 устанавливает ответственность всех субъектов электроэнергетики за исполнение или ненадлежащее исполнение обязательств по соответствующим договорам, «в том числе за надежность снабжения ЭЭ и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями».
Интересен тот факт, что в последнее время потребители электрической энергии все больше обращают внимание на её качество. Так, например, решением Арбитражного суда Тверской области от 20.02.2009 открытое акционерное общество "Тверская энергосбытовая компания" привлечено к административной ответственности и ему назначено наказание в виде штрафа в размере 40 000 рублей. Наказание назначено в связи с заявлением гражданина-потребителя электрической энергии и на основании испытаний качества электрической энергии в ходе которого было установлено, что качество поставляемой электрической энергии за период испытаний не соответствует требованиям Государственного стандарта.
Рассмотрим, от чего зависит уровень помех в сети, в чем опасность их возникновения и какими показателями характеризуется качество электроэнергии. К ним относятся:
- отклонение частоты;
- отклонение напряжения;
- провалы напряжения;
- размах и доза фликера, характеризующие колебания напряжения;
- коэффициенты искажения синусоидальной формы кривой напряжения и n-ой гармонической составляющей напряжения;
- коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательности;
- кратковременные перенапряжения, импульсы напряжения.
Отклонение частоты. Как отмечалось ранее, частота напряжения в электроэнергетической системе зависит от скорости вращения роторов генераторов, установленных на электростанциях. Все генераторы, подключенные к единой электрической сети, вырабатывают электроэнергию с одинаковой частотой. В каждый момент времени и в Москве, и в Челябинске, и в Иркутске она одинакова. В свою очередь, частота зависит от скорости вращения турбины и от мощности электрической нагрузки подключенной к генератору (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Скорость вращения ротора генератора зависит от электрической нагрузки генератора и частоты вращения турбины
При увеличении электрической нагрузки, ротор генератора снижает скорость вращения, если не увеличить количество пара на ТЭС или воды на ГЭС, подаваемых в турбины. Может произойти и обратная ситуация: снизилась мощность нагрузки, высвободилась энергия генераторов электростанций – возросла скорость их вращения, увеличилась частота в системе.
При этом мощность нагрузки в электрической сети изменяется случайным образом, так как никто из потребителей не предупреждает поставщиков о том, что он включит или отключит электроприемники в следующий момент времени. Нормально допустимое отклонение частоты от номинальной (50 Гц) составляет ±0,2 Гц. Для поддержания частоты в этих пределах все турбины на электростанциях оснащены автоматическими регуляторами частоты и скорости вращения.
Отклонение частоты влияет на работу вращающихся машин, электродвигателей, так как их число оборотов зависит от частоты приложенного напряжения. Изменение скорости вращения электродвигателей приводит к изменению производительности тех механизмов, которые они вращают. Например, при установке насоса учитывают его производительность, которая определена при условиях, что частота не выйдет за нормативные требования. Если частота будет ниже допустимой, то производительность насоса также снизится.
Отклонения напряжения. Отклонения напряжения от номинального значения (номинальное напряжение в электрических сетях – 220, 380 В, 6, 10 кВ) связано с изменением нагрузки, присоединенной в той или иной точке электрической сети. Напряжение в различных точках сети различно в силу того, что сами нагрузки различны и связаны они с источниками электроэнергии элементами (линиями электропередачи, трансформаторы), потери напряжения в которых также различны. Так напряжения на трансформаторных подстанциях в пределах одного жилого массива, в пределах одного и того же здания и даже квартиры могут отличаться от номинального. Напряжение на выводах электроприемников может отличаться от номинального на ±5%.
Отклонение напряжения за пределами этой нормы отражается на работе любого электроприемника, ухудшая его характеристики. Так при снижении напряжения до 90% от Uном световой поток, создаваемый лампой накаливания, снижается в среднем на 40 %, а при увеличении напряжения до 110% от Uном световой поток настолько же возрастает, но срок службы лампы сокращается в 4 раза.
Провалы напряжения появляются внезапно, сопровождаются глубокими снижениями напряжения (более 10 %). Провал напряжения удерживаются недолго, в среднем несколько секунд, после чего напряжение восстанавливается до исходного или близкого к нему значения (например, номинального значения). В большинстве случаев причиной провалов напряжения является короткое замыкание в системе электроснабжения, которое и приводит к внезапному снижению напряжения в электрической сети.
Однако благодаря работе средств защиты и автоматики короткое замыкание отключается и напряжение восстанавливается. Несмотря на кратковременность при большой глубине, вплоть до исчезновения напряжения, провал напряжения приводят к весьма нежелательным последствиям, связанным с нарушением электроснабжения потребителей. Прежде всего, это относится к потребителям, чьи электроприемники весьма чувствительны даже к кратковременным глубоким снижениям напряжения. Глубина провала не может быть ограничена нормативно, так как провал напряжения неуправляемый процесс в системе электроснабжения. Однако длительность его, которая зависит от условий эксплуатации и состояния электрооборудования, характеристик средств защиты и автоматики, ограничивается, и не должна превышать 30 сек. Для предотвращения последствий столь длительных провалов напряжения необходимо применять резервные источники питания.
Колебания напряжения характеризуются дозой фликера (в переводе с англ. – мерцание). Речь идет о мерцании света, создаваемого осветительными приборами, которые получают питание от сети, напряжение которой многократно и быстро изменяется. Это явление негативно отражается на зрении человека, приводя к утомляемости, нарушении комфортных условий жизнеобеспечения. Причиной колебаний напряжения является резко переменная нагрузка, то есть нагрузка, мощность которой быстро изменяется. В большинстве случаев, это промышленные электроприемники (сварочные аппараты, дуговые печи). Воздействие колебаний напряжения на зрение человека проявляется в зависимости от их размаха (амплитуды) и частоты (числа повторений колебаний в минуту).
Несинусоидальность напряжения является одной из самых распространенных и наиболее негативных характеристик напряжения. Источником несинусоидальности напряжения является ток, потребляемый так называемыми нелинейными электроприемниками. Например, выпрямители, широко применяемые в промышленности (тяговые подстанции метрополитена и железной дороги) и в быту (телевизоры, компьютеры, ксероксы и т.п.). Ток, потребляемый этими электроприемниками имеет не синусоидальную, а «искаженную» форму (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Ток (——) несинусоидальной формы потребляемый вычислительной техникой и ток (---) синусоидальной формы потребляемый лампой накаливания.
Такой ток имеет, конечно, и синусоидальную составляющую, частота которой 50 Гц, и которая совершает полезную работу. Но на неё наложены искажения, называемые высшими гармониками, которые полезной работы не совершают. Частота высших гармоник выше основной в кратное число раз. Например, 150, 350, 550 Гц и выше. Протекая по электрооборудованию электрической системы, эти токи вызывают его дополнительный нагрев, а, следовательно, дополнительные потери электроэнергии, сокращение срока службы электрооборудования, снижение эффективности его использования. Высшие гармоники тока и напряжения влияют и на погрешность измерительных приборов, в частности, приборов учета электроэнергии.
Для «подавления» высших гармоник проводят специальные мероприятия, устанавливая дорогостоящее оборудование. Однако альтернативы применению электрооборудования, являющегося источником высших гармоник, пока нет в силу высоких технологических возможностей этого оборудования.
Несимметрия напряжения – явление, распространенное, главным образом, в сетях низкого и среднего напряжения, где значительная часть электроприемников однофазные. Например, бытовая нагрузка. Из-за этого токи, протекающие по фазам (проводам) трехфазной сети, существенно неодинаковые.
В этом случае говорят, что токи несимметричные, а должны быть симметричными. Несимметрия токов приводит и к несимметрии напряжений. Известно, что в жилых зданиях состав электроприемников, например, в различных квартирах, различен. Кроме того, использование их, вплоть до осветительных приборов, тоже различно. Следовательно, и нагрузка, как говорят, каждой из трех фаз на трансформаторной подстанции будет различной, чем и объясняется несимметрия напряжения. В основном отрицательные последствия несимметрии напряжения проявляются на трехфазных электроприемниках, особенно на работе трехфазных двигателей. Дело в том, что одной из составляющих несимметричного тока является так называемый, ток обратной последовательности, который создает отрицательный (тормозящий) вращающий момент. Двигатель тормозится, его производительность снижается, повышается нагрев его обмоток, увеличивается потребляемая мощность. В промышленности доля потребляемой электродвигателями мощности в зависимости от применяемой технологии составляет от 60 до 80 %. Поэтому несимметрия напряжения жестко нормируется. Нормально допустимое значение показателя, характеризующего несимметрию напряжения, не должно превышать 2% номинального напряжения для сетей всех классов.
Основной способ симметрирования напряжения – это равномерное (симметричное) распределение нагрузки по фазам питающей ее сети, что технологически (для производства) не всегда возможно. В этих случаях применяют специальные симметрирующие устройства.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что разного рода помехи в электрической сети – явление естественное и неизбежное, потому что они вызваны особенностями технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Уровни помех и соответствующие им показатели качества электроэнергии должны быть ограничены допустимыми для электрооборудования, приборов и устройств значениями, при которых они могут нормально функционировать. В свою очередь, все это оборудование не должно вносить в электрическую сеть помех, обусловленных технологией их работы. Уровень вносимых помех также не должен выходить за допустимые пределы.
Ухудшение показателей качества электроэнергии по сравнению с их допустимыми значениями для электрической сети и электроприемников влечет за собой сокращение их срока службы, рост потерь электрической энергии, выход из строя, брак продукции, нарушение комфортных условий жизнеобеспечения и т.п.
Обеспечение требуемых показателей качества электрической энергии осуществляется хорошо известными мероприятиями и средствами. Все существующие правовые и нормативно-технические документы в области качества электроэнергии направлены на защиту прав потребителей, осуществляемую через контроль над соблюдением требований государственных стандартов при купле-продаже электроэнергии. К сожалению, все эти мероприятия не могут свести к нулю риск сбоев в поддержании качества электроэнергии. Поэтому при создании любого электрического оборудования необходимо предусмотреть затраты на создание защиты от таких сбоев.
Используемая литература:
1. Управление качеством электроэнергии/ И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 354 с.