Причины снижения качества электроэнергии. Качество электрической энергии Чем может быть достигнуто качество электроэнергии

Основную ответственность за качество электроэнергии должны нести ЭК как организаторы энергоснабжения. Сегодня, пользуясь тем, что в ГОСТ 13109-97 не указана количество провалов напряжения в течение года, они не всегда осуществляют необходимый контроль и не уделяют внимание надлежащему состоянию и обслуживанию своего электрохозяйства. С другой стороны, часто виновником ухудшения ПКЭ может выступать и потребитель, широко используя мощные вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности влияют на КЭ. В табл. 13.4 приведены субъекты рынка, от деятельности которых в основном зависит качество электроэнергии. Проанализируем более подробно влияние субъектов рынка электроэнергии на показатели ее качества.

Энергоснабжающие организации

Основной причиной низкой КЭ здесь есть износ распределительных сетей. По данным Министерства энергетики Украины износа распределительного комплекса достигает около 66 % (Энергетика, 2005; Концерн 2013). Подстанционное оборудования изношено на 70%, ЛЭП - на 40% (Жорняк, 2010). Причем заметна тенденция: чем ниже напряжение сетей, тем в большей степени они изношены. Стабильный рост электропотребления и жесткость режимов использования электроэнергии обусловливают необходимость срочной модернизации электрических сетей.

Причинами аварийных ситуаций также устаревшее оборудование, ненадежная работа самого оборудования по техническим отказа и некорректная работа обслуживающего персонала (Жорняк, 2010). Халатное отношение ЭК к своему электрохозяйства в совокупности приводит к ухудшению ПКЭ. С целью вывода человеческого фактора за контур действия СЭП необходимо повышать уровень автоматизации генерирующих и распределительных систем.

Таблица 13.4 - наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ (Герлига 2011; Жорняк 2010 )

Свойства электрической энергии	показатель КЭ	Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
отклонение напряжения	Отклонение напряжения δUв.
колебания напряжения	Размах колебаний напряжения δU t . Доза фликера Р t	Потребитель с резко переменной нагрузкой
несинусоидальность напряжения	Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K U . Коэффициент п и гармоничной составляющей напряжения K U (n)	Потребитель с нелинейной нагрузкой, МК
Несимметрия трехфазной системы напряжений	Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К 2U Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К 0U	Потребитель с несимметричной нагрузкой, МК
отклонение частоты	Отклонение частоты δf	СО, генерирующие компании
провал напряжения	Продолжительность провала напряжения Δ t n
импульс напряжения	Импульсное напряжение U имп
временная перенапряжение	Коэффициент временного перенапряжения K пер U

Слабое напряжение в электросети – очень серьезная проблема, которая чаще всего возникает с наступлением холодов. Если Вы столкнулись с тем, что в розетках напряжение 200 Вольт и ниже, то нужно как можно быстрее искать причину неисправности, так как это чревато не только некорректной работой бытовых электроприборов, но и выходом их из строя. Наиболее подвержена негативному воздействию чрезмерно низкого напряжения бытовая техника с двигательной нагрузкой (холодильник, морозильная камера, кондиционер, стиральная машина). В данной статье мы расскажем, по какой причине может быть низкое напряжение в сети и куда звонить в случае возникновения данной проблемы.

Основные причины неисправности

Прежде всего, вкратце рассмотрим, по какой причине напряжение в сети может быть ниже допустимых значений (согласно ), после чего рассмотрим, что делать в каждом из приведенных случаев. Итак, основными причинами низкого напряжения в частном доме или же квартире являются:

Недостаточное сечение вводного кабеля, ответвленного от магистральной ЛЭП к Вашему жилью.
Плохое контактное соединение в месте от питающей ЛЭП.
Неправильно выбранное сечение проводников, шинок для подключения защитных аппаратов и ответвления линий проводки, ненадежный контакт соединений в вводном распределительном щите.
Перегрузка трансформатора на обслуживающей подстанции.
Недостаточное сечение магистральной ЛЭП.
– нагрузка на каждую фазу трансформатора неравномерная (к примеру, одна фаза перегружена, остальные недогружены).
Ненадежный контакт или на питающей линии. В случае нарушения целостности контактного соединения нулевого проводника магистральной ЛЭП или при полном его обрыве, в сети будет наблюдаться существенный перекос напряжений: у части потребителей будет наблюдаться чрезмерно высокое напряжение, у других – ниже допустимых значений.

Это самые часто встречаемые причины очень низкого напряжения в сети частных домов и квартир. Как Вы понимаете, первые 3 причины относятся только к Вам, и решать проблему придется самостоятельно. Что касается последних ситуаций, их нужно решать коллективно с соседями, с помощью написания жалоб в соответствующие органы. Далее мы расскажем, что делать для самостоятельного и куда звонить, чтобы причину неисправности помогли устранить вышестоящие органы.

Способы решения проблемы

В порядке перечисления причин слабого напряжения в сети мы также будем рассматривать и способы устранения неисправности.

Первое, что Вы должны проверить – наблюдается ли слабое напряжение у соседей или же низкое напряжение присутствует только на Вашем участке. Если оказалось, что в соседних домах (или квартирах) нет никаких проблем, начинаем искать неполадку в домашней электропроводке.

Сначала Вы должны отключить вводной автомат и замерить значение напряжения на вводе: на клеммах автоматического выключателя, куда подключается вводной питающий кабель. Если оно уже в этой точке ниже нормы (по ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) ±10% от номинального – 230 Вольт, т.е. 207-253 В), значит необходимо обращаться в энергосбыт, так как проблема может быть в питающей сети (причины — п.4-7). Подробнее о допустимых отклонениях напряжения можете прочитать в статье: .

Согласно написанному выше, причины может быть 3, если напряжение низкое только у Вас. Начните поиск неисправности с проверки . Если в верхнем зажиме плохой контакт с проводом, это вполне может быть причиной слабого напряжения. Визуально осмотрите корпус автомата, если он оплавлен (как на фото ниже), нужно обязательно его заменить. Не забудьте после этого новый автоматический выключатель подключить должным образом – хорошенько затянуть жилы в зажимах.

Также обратите внимание на сечение проводников и шинок, используемых в распределительном щитке для подключения защитных аппаратов и ответвления линий проводки – оно должно соответствовать нагрузке, которая протекает по тому или иному участку электрической цепи.

Автомат правильно подключен и нет видимых повреждений? Убедитесь, что сечение вводного провода хватает для работы потребителей в Вашем доме либо квартире. О том, мы рассказывали в соответствующей статье. Дело в том, что при недостаточном сечении жил вольтаж падает, когда подключается повышенная нагрузка.

Если сечение кабеля домашней проводки достаточное, проверьте, как выполнено ответвление линии от магистральной к Вашему вводу. Если это , то можно с большой уверенностью сказать, что низкое напряжение в доме из-за некачественного ответвления провода. При плохом контакте повышается сопротивление в проблемной зоне, что влечет за собой понижение напряжения. Даже если ответвление выполнено специальными зажимами, осмотрите и их тоже (состояние корпуса). Можете также проверить зажимы, подключив нагрузку – если в этом месте начнет искрить, либо же корпус зажима начнет нагреваться – нужно заменить изделие.

Хуже дела обстоят, если пониженное напряжение в электрической сети не Ваша вина, а поставщика электроэнергии. На самом деле, устранить неполадку в этом случае довольно сложно. Дальше мы расскажем, куда звонить и жаловаться для решения проблемы, а сейчас предоставим меру, которая поможет повысить напряжение в домашней электросети.

Вы наверняка знаете, что лучше всего , который может повысить значение от 140-160 Вольт до нужных 220. Из личного опыта могу сказать, что это лучший вариант устранения неисправности, т.к. чаще всего напряжение низкое в осенне-зимний сезон из-за использования электрообогревателей. Стабилизатор не так дорого стоит и может защитить Вашу бытовую технику даже при , что также очень важно. Если есть деньги, рекомендуем также приобрести источник бесперебойного питания, который во время падения напряжения может устранить проблему, т.к. в автономном режиме будет подавать электроэнергию. Работают системы аварийного питания от 140 Вольт, что отлично подходит в нашем случае. Единственный недостаток – высокая стоимость. За модель мощность 5 кВт придется отдать не менее 35 тыс. рублей (цена на 2019 год).

Учитывая стоимость стабилизатора и факт того, что при чрезмерно низком напряжении (ниже рабочего диапазона стабилизатора напряжения) он может быстро выйти из строя, поэтому, прежде чем его приобретать, лучше обратиться в снабжающую организацию для решения данной проблемы. Более того, причина может быть в аварийной ситуации – нарушении контактного соединения нулевого провода на магистральной линии, а это чревато еще большим перекосом напряжения по фазам в случае полного обрыва нуля.

Работа стабилизатора показана на видео:

Некоторые специалисты также рекомендуют бороться с низким напряжением в электросети, используя трансформаторы или же дополнительное заземление, однако мы Вам советуем избегать таких мер. Дело в том, что последствия от таких манипуляций могут быть неутешительными – перенапряжение до 300 Вольт или же !

Куда звонить и жаловаться

Когда причина маленького напряжения заключается в недостаточном сечении магистральной ЛЭП или же слабой мощности трансформатора на подстанции, дела обстоят хуже. На модернизацию подстанции и ЛЭП нужны миллионы рублей, поэтому жалобы не дают эффект, даже если их писать годами. Однако Вы все же обязаны заявить, что недовольны качеством электроэнергии, чтобы сдвинуть вопрос реконструкции с места.

Если Вы не знаете, куда звонить и писать жалобу при низком напряжении в сети, советуем ознакомиться со следующим списком:

Напишите письменную претензию в энергоснабжающую компанию.
Если в течение 30 дней после регистрации написанного Вами обращения никаких действий не происходит, привлечь энергосбыт поможет прокуратура, в которую также советуем обратиться.
Роспротребнадзор.
Администрация города (района или же деревни).
Энергонадзор.
Общественная палата.

Обращаем Ваше внимание на то, что у всех этих органов есть свои официальные сайты, которые не сложно найти в интернете. Совсем не обязательно околачивать стены и стоять в очередях, достаточно просто написать на почту соответствующему органу о том, что у Вас низкое напряжение в сети, и что Вы уже старались решить проблему с энергосбытом. Лучше будет, если Вы предъявите все имеющиеся доказательства в электронном письме.

Еще один полезный совет – когда будете писать коллективную жалобу в энергосбыт, сошлитесь на ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), согласно которому отклонение от 230 Вольт не должно превышать 10%.

Надеемся, теперь Вы знаете, что делать при низком напряжении в сети, куда и кому нужно жаловаться, чтобы неисправность устранили! Еще раз обращаем внимание на то, что процесс решения конфликта с энергосбытом может затянуться на долго, поэтому сразу же нужно купить стабилизатор, чтобы не сгорела вся бытовая техника в доме.

Не рассматривая неизбежные переходные процессы, приведенные на рис. 10.7, отметим, что длительное повышение или понижение питающей сети приводит к сокращению срока службы двигателей и источников питания. Понижение менее желательно из-за значительного роста тока потребления, нарушения и выхода из строя электроники и вычислительной техники. Отрицательное воздействие оказывает полное пропадание питающего напряжения. Кратковременные всплески и провалы вызываются переходными процессами в электрической системе, сопровождаясь высокочастотными помехами, приводящими к сбою электронной аппаратуры. Всплеск может привести к выходу из строя потребителя, если коммутационная и особенно защитная аппаратура не удовлетворяет требованиям по быстродействию и селективности.

Что влияет на качество электроснабжения

Негативное влияние на силовое электрооборудование и измерительные приборы оказывают длительные искажения кривой напряжения, особенно искажения напряжения, имеющие характер «зазубрин», вызванные коммутацией силовых тиристоров и диодов в мощных источниках искажения. Наиболее опасными являются искажения кривой жения через ноль. Эти искажения могут вызвать дополнительные коммутации диодов маломощных источников питания, ускорение старения конденсаторов, сбой компьютеров и принтеров и другой аппаратуры.

Проблема качества в отечественных электрических сетях очень специфична. Во всех промышленно развитых странах подключение мощных нелинейных нагрузок, искажающих форму кривых тока и электрической сети, допускается только при соблюдении требований по обеспечению качества электроэнергии и при наличии соответствующих корректирующих устройств. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3…5% от мощности всей нагрузки энергокомпании. Иная картина наблюдается в нашей стране, где такие потребители подключаются достаточно хаотично.

Выдача технических условий на присоединение во многом формальна из-за отсутствия четких методик и массовых сертифицированных приборов, фиксирующих «кто виноват». При этом промышленностью практически не выпускались необходимые фильтрокомпенсирующие, симметрирующие, многофункциональные оптимизирующие устройства и др.

В результате электрические сети России оказались перенасыщенными искажающим оборудованием.

В отдельных регионах сформировались уникальные по своей мощности и степени искаженности кривых тока и комплексы электрических сетей энергосистем и распределительных сетей потребителей, что существенно обострило проблему электроснабжения потребителей качественной электроэнергией.

Для определения соответствия значений измеряемых показателей качества электроэнергии нормам стандарта, за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения, коэффициента временного перенапряжения, устанавливается минимальный интервал времени измерений, равный 24 ч, соответствующий расчетному периоду. Общая продолжительность измерений ПКЭ должна быть выбрана с учетом обязательного включения характерных для измеряемых ПКЭ рабочих и выходных дней. Рекомендуемая общая продолжительность измерения составляет 7 сут. Сопоставление ПКЭ с нормами стандарта необходимо производить за каждые сутки общей продолжительности измерений отдельно для каждого ПКЭ. Кроме того, измерения ПКЭ следует проводить по требованию энергоснабжающей организации или потребителя, а также до и после подключения нового потребителя.

Методов повышения качества электроэнергии

Существуют три основные группы методов повышения качества электроэнергии :

рационализация электроснабжения, заключающаяся, в частности, в повышении мощности сети, в питании нелинейных потребителей повышенным напряжением;
улучшение структуры 1УР, например обеспечение номинальной загрузки двигателей, использование многофазных схем выпрямления, включение в состав потребителя корректирующих устройств;
использование устройств коррекции качества - регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии или связанных с ними параметров потребляемой мощности.

Экономически наиболее предпочтительной является третья группа, так как изменение структуры сети и потребителей ведет к значительным затратам.

Проектирование же новых сетей потребителей необходимо вести с учетом современных требований к качеству, ориентируясь на разработку регуляторов качества электроэнергии различных типов. Целенаправленное воздействие на изменение одного вида искажений вызывает косвенное воздействие на другие виды искажений. Например, компенсация колебаний напряжениявызывает снижение уровней гармоник и приводит к изменению отклонений напряжения.

Отклонения являются медленными и вызываются или изменением уровня в центре питания, или потерями в элементах сети (рис. 10.8). требования по отклонениям для последних электроприемников не выполняются изза значительных потерь в кабельной линии и на шинах питания. суммарные потери л /ц.п, %, определяют по выражению:

Анализируя эпюру (см. рис. 10.8), можно сделать вывод, что обеспечить требования по отклонениям можно за счет регулирования в центре питания (гпп, рп) и путем снижения потерь в элементах сети.

Регулирование реализуется с помощью изменения коэффициента трансформации питающего трансформатора. для этого трансформаторы оснащаются средствами регулирования под нагрузкой (рпн) или имеют возможность переключения отпаек регулировочных ответвлений без возбуждения (пбв), т. е. с отключением их от сети на время переключения ответвлений. трансформаторы с рпн позволяют регулировать в диапазоне от ±10 до ±15 % с дискретностью 1,25…2,50%. трансформаторы с пбв обычно имеют регулировочный диапазон ±5 %.

Снижение потерь в питающих линиях или кабелях может быть реализовано за счет снижения активного и (или) реактивного сопротивления. Снижение сопротивления достигается путем увеличения сечения проводов или применением устройств продольной компенсации (УПК).

Продольная емкостная компенсация параметров линии заключается в последовательном включении конденсаторов в рассечку линии, благодаря чему ее реактивное сопротивление уменьшается: Х’л= XL ХC< Хл.

Колебания в системе электроснабжения промышленного предприятия вызываются набросами реактивной мощности нагрузок. В отличие от отклонений колебания происходят значительно быстрее. Частоты повторения колебаний достигают 10… 15 Гц при скоростях набросов реактивной мощности до десятков и даже сотен мегавар в секунду. Размах колебаний напряжений

Из выражения (10.33) следует, что для снижения bU, необходимо уменьшить Хкз или набросы реактивной мощности нагрузки QH, для снижения которых должны применяться быстродействующие источники реактивной мощности, способные обеспечить скорости набросов реактивной мощности, соизмеримые с характером изменения нагрузки. При этом выполняется условие

Подключение ИРМ приводит к снижению амплитуд колебаний результирующей реактивной мощности, но увеличивает их эквивалентную частоту. При недостаточном быстродействии применение ИРМ может привести даже к ухудшению положения.

Для снижения влияния резкопеременной нагрузки на чувствительные электроприемники применяют способ разделения нагрузок, при котором наиболее часто применяют сдвоенные реакторы, трансформаторы трехобмоточные, с расщепленной обмоткой или питают нагрузки от различных трансформаторов. Эффект использования сдвоенного реактора основан на том, что коэффициент взаимоиндукции между обмотками сдвоенного реактора не равен нулю, а падение напряжения, уменьшающееся на 50…60 % за счет магнитной связи обмоток реактора, в каждой секции определяется по формулам:

где Км - коэффициент взаимоиндукции между обмотками секций реактора; XL - индуктивное сопротивление секции обмотки реактора.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой позволяют подключать к одной ветви обмотки низшего резкопеременную нагрузку (источник искажений), а к другой - стабильную. Связь между изменениями в обмотках определяется по выражению

Снижение несимметрии напряжении достигается уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

Основным источником несимметрии являются однофазные нагрузки. При соотношении между мощностью короткого замыкания в узле сети SK 3 к мощности однофазной нагрузки больше 50 коэффициент обратной последовательности обычно не превышает 2 %, что соответствует требованиям ГОСТ.

Снизить несимметрию можно, увеличив SK3 на зажимах нагрузки. Это достигается, например, подключением мощных однофазных нагрузок через собственный трансформатор на шины 110 - 220 кВ. Снижение систематической несимметрии в сетях низкого осуществляется рациональным распределением однофазных нагрузок между фазами с таким расчетом, чтобы сопротивления этих нагрузок были примерно равны между собой. Если несимметрию не удается снизить с помощью схемных решений, то применяются специальные устройства.

В качестве таких симметрирующих устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис. 10.9, а) или специальные схемы симметрирования (рис. 10.9, б) однофазных нагрузок.

Если несимметрия меняется по вероятностному закону, тодля ее снижения применяются автоматические симметрирующие устройства, в схемах которых конденсаторы и реакторы набираются из нескольких небольших параллельных групп и подключаются в зависимости от изменения тока или обратной последовательности (недостаток - дополнительные потери в реакторах). Ряд устройств основан на базе применения трансформаторов, например трансформаторов с вращающимся магнитным полем, представляющим собой несимметричную нагрузку, или трансформаторов, позволяющих осуществить пофазное регулирование напряжения.

Как уменьшить несинусоидальность напряжения

Снижение несинусоидального достигается:

схемными решениями: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин; рассредоточение нагрузок по различным узлам питания с подключением параллельно им электродвигателей; группировка преобразователей по схеме умножения фаз; подключение нагрузки к системе с большей мощностью SK 3;
использованием фильтровых устройств: включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров; включение фильтрокомпенсирующих устройств; применение фильтросимметрирующих устройств; применение ИРМ, содержащих фильтрокомпенсирутощие устройства;
применением специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник: использование «ненасыщающихся» трансформаторов; применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Развитие современной базы силовой электроники и методов высокочастотной модуляции привело к созданию устройств, улучшающих качество электроэнергии - активных фильтров, подразделяемых на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Это привело к получению четырех базовых схем (рис. 10.10).

В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока, используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения, используется емкость. Схема замещения силового резонансного фильтра приведена на рис. 10.11.

Сопротивление фильтра Z на частоте со равно При XL = Хс на частоте со наступает резонанс напряжений, означающий, что сопротивление фильтра для гармонической составляющей с частотой со равно 0.

При этом гармонические составляющие с частотой со будут поглощаться фильтром и не будут проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых v = 3, 5, 7,… Уровни гармоник с таким порядковым номером обычно убывают с увеличением частоты. Поэтому на практике применяют цепочки из параллельно включенных фильтров, настроенных на 3, 5, 7 и 11ю гармоники. Такие устройства называются узкополосными резонансными фильтрами. Если XL и Хс - сопротивление реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, то, используя выражение (10.38), получаем

Фильтр, который помимо фильтрации гармоники будет генерировать реактивную мощность и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, называется фильтрокомпенсирующим (ФКУ).

Если устройство помимо фильтрации высших гармоник выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется филыросимметрирующим (ФСУ). Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов*, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Таким образом, устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей (несинусоидальность, несимметрия, отклонения напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (рис. 10.12). Целесообразность их разработки заключается в том, что резкопеременные нагрузки типа ДСП вызывают одновременное искажение по ряду показателей, что и потребовало комплексного решения проблемы.

К категории таких устройств относятся быстродействукшше статические источники реактивной мощности. По принципу регулирования реактивной мощности их можно подразделить на ИРМ прямой и косвенной компенсации. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

При разработке стратегии повышения качества электроэнергии в электрических сетях и обеспечения условий электромагнитной совместимости следует учитывать, что для исправления положения необходимы значительные материальные ресурсы и достаточно продолжительный период времени. Разработка всего комплекса мероприятий требует технической и экономической оценки последствий пониженного качества, что затруднено в силу следующих обстоятельств:

воздействие качества электроэнергии на качество и количество выпускаемой продукции, а также на сроки службы электроприемников носит интегральный характер; изменения большинства показателей качества во времени являются стохастическими в силу их за висимости от режимов работы большого числа электроприемников;
последствия пониженного качества электроэнергии часто проявляются в окончательном продукте, на качественные и количественные характеристики которого воздействуют и другие факторы;
отсутствие данных отчетного характера, позволяющих установить причинноследственные связи между реальными показателями качества, с одной стороны, и работой электрооборудования и качеством выпускаемой продукции - с другой;
слабая оснащенность отечественных электрических сетей средствами измерения показателей качества электроэнергии.

Тем не менее для обеспечения требуемых ГОСТ 13109 - 97 показателей необходимо выполнение комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на установление причин и источников нарушений и заключающихся в индивидуальном и централизованном подавлении помех с обеспечением повышенной помехозащищенности чувствительных к искажениям электроприемников.

В идеальном случае система электроснабжения должна обеспечивать постоянство величины и частоты напряжения питания, а также синусоидальность его формы.Однако из-за ненулевого импеданса компонентов системы, резких изменений нагрузки и других явлений, например, переходных процессов и аварийных отключений,реальность часто бывает другой. используется для описания того, насколько реальная система энергоснабжения отличается от идеальной:

если качество электроэнергии в сети высокое, все нагрузки, подключенные к ней, будут работать правильно и с максимальным к.п.д. Стоимость эксплуатации установки и ее влияние на экологию будут минимальными;
если качество электроэнергии сети низкое, у нагрузок, подключенных к ней, будут наблюдаться отказы в работе, а срок службы этих нагрузок будет уменьшаться. К.п.д. электроустановки будет снижен, стоимость эксплуатации будет высокой, возрастет негативное влияние на окружающую среду, а в определённых случаях работа будет вообще невозможна.

Для определения качества электроэнергии были введены различные показатели, которые предлагаем рассмотреть далее.

Издержки при низком качестве электроэнергии

Низкое качество электроэнергии может быть определено как возможность возникновения любого события, связанного с сетью электропитания, которое приводит кэкономическим потерям. Возможные последствия низкого качества электроэнергии:

неожиданные отключения энергоснабжения (отключения автоматических выключателей, перегорание предохранителей и т.п.);
выход из строя или неправильная работа оборудования;
перегрев оборудования (трансформаторов, двигателей и т.п.), приводящий к сокращению их срока службы;
повреждение чувствительного оборудования (компьютеры, системы управления технологических линий и т.п.);
помехи для электронных средств связи;
увеличение потерь в системе;
необходимость применения завышенных типономиналов электрических установок для того, чтобы они могли выдерживать дополнительную электрическую нагрузку, с соответствующим увеличением габаритов установки, стоимости эксплуатации и экологических последствий;
штрафы, накладываемые поставщиками электроэнергии при повышенном негативном влиянии нагрузок на сеть энергоснабжения;
невозможность подключения новых объектов из-за того, что они будут чрезмерно влиять на систему энергоснабжения;
негативное влияние на зрение, связанное с флуктуациями яркости или спектра источников света (фликер);
проблемы со здоровьем и снижение производительности персонала и т.п.

Основной вклад в снижение качества электроэнергии низкого напряжения вносят следующие факторы:

реактивная мощность, которая бесполезно нагружает систему энергоснабжения;
загрязнение гармониками, которое приводит к дополнительной нагрузке на сеть и снижает эффективность работы электроустановок;
неравномерность нагрузки, особенно в офисных зданиях; несбалансированность нагрузок может привести к чрезмерной асимметрии напряжения, которая воздействует на другие нагрузки, подключенные к той же сети, а также к увеличению тока нейтрали и напряжения между нейтралью и землёй;
быстрые изменения напряжения (фликер).

Все эти явления являются потенциальными причинами неэффективной работы электроустановок, неработоспособности системы, снижения срока службы оборудования и, соответственно, высокой стоимости эксплуатации электроустановок.

Остановка производства из-за низкого качества электроэнергии приводит к экономическим потерям. Это иллюстрируется Таблицей № 1, в которой приводятсятиповые данные об экономических потерях в различных отраслях при авариях (отключениях) из-за низкого качества электроэнергии в электроустановках.

Таблица № 1. Примеры значений экономических потерь из-за аварий по причине низкого качества электроэнергии

Отрасль	Потери для одного случая, €
Производство полупроводников (*)
Финансовый рынок (*)	6 000 000 за час
Вычислительный центр (*)
Телекоммуникации (*)	30 000 за минуту.
Сталелитейная промышленность (*)
Стекольная промышленность (*)
Морские платформы	250 000 - 750 000 за день
Выемка грунта/мелиорация	50 000 – 250 000 за день

Данные, помеченные в Таблице № 1 (*), получены с помощью опроса, касающегося качества электроэнергии, проведённого в Европе Европейским институтом меди в2002 г. Остальные данные являются результатами исследований ABB.

В дополнение к экономическим потерям из-за остановок производства можно определить ещё один фактор издержек при низком качестве электроэнергии, связанный с дополнительными потерями активной мощности, причиной которых является наличие гармонических искажений в компонентах сети, то есть в трансформаторах, кабелях и двигателях. Так как эти потери должны возмещаться электростанциями поставщика электроэнергии, экономические потери и дополнительные выбросы CO 2 могут быть возложены на него. Точные значения этих потерь зависят от конкретных тарифов на электроэнергию и способов генерации электроэнергии. Например, атомные электростанции почти не имеют выбросов CO 2 в отличие от угольных электростанций, для которых выбросы составляют около 900 –1000 г на 1 кВт произведённой мощности.

Один из возможных методов теоретической оценки дополнительных потерь из-за гармоник в трансформаторах приведён в стандарте IEEE C57.110 Результаты расчёта будут зависеть от конкретных местных условий, при этом сумма может составить порядка нескольких тысяч евро в год. Это соответствует эмиссии CO 2 в количестве нескольких тонн за год. Поэтому можно сделать вывод, что в установках с нагрузками, дающими существенные загрязнения гармониками, эксплуатационные расходы могут быть значительными.

В настоящее время основной причиной гармонических искажений являются токи гармоник нагрузок в отдельных электроустановках. Эти токи гармоник, проходящиечерез импеданс сети, в соответствии с законом Ома создают напряжение гармоник, которое будет поступать ко всем нагрузкам, подключенным к электроустановке. В результате пользователь, имеющий нагрузки, создающие гармоники, может иметь проблемы с качеством электроэнергии. Кроме того, неотфильтрованные токи гармоник электроустановки попадают через питающие трансформаторы к поставщику электроэнергии и создают гармонические искажения в общей сети. В результатевсе пользователи этой сети будет испытывать влияние гармонических искажений, созданных другим пользователем сети, которые могут воздействовать на работу их электроустановок.

Для ограничения влияния этой проблемы большинство поставщиков имеют стандарты или правила, относящиеся к качеству электроэнергии, которые должны соблюдаться пользователями сети электропитания. В крайних случаях несоблюдение этих правил приводит к отказу в подключении новой установки. Это может сказаться на производстве и привести к потерям дохода компании.

Терминология параметров качества электроэнергии

Реактивная мощность и коэффициент мощности (cosφ)

В сети переменного тока часто ток имеет сдвиг по фазе относительно напряжения сети. Это приводит к появлению различных типов мощности (см. рис. 1):

Активная мощность Р (кВт), выполняющая полезную работу, соответствует части тока, которая находится в фазе с напряжением;

Реактивная мощность Q (квар), которая поддерживает электромагнитное поле, используемое, например, для работы двигателей, представляет собой энергию обмена между реактивными компонентами электрической системы (конденсаторами и индуктивностями) за единицу времени. Она соответствует части тока, которая имеет сдвиг по фазе с напряжением на 90°;

Полная мощность S (кВА), то есть геометрическая сумма активной и реактивной мощностей, является полной мощностью, потребляемой из сети.

Отношение активной мощности к полной мощности – это коэффициент реактивной мощности или cos φ. Этот параметр является мерой эффективности использования электрической энергии. При cos φ, равном 1, полезная энергия передаётся наиболее эффективно. Если cosφ равен нулю, это свидетельствует о крайне неэффективной передаче полезной энергии.

Гармонические искажения

Гармоническое загрязнение часто характеризуется с помощью коэффициента гармонических искажений (КГИ), который равен отношению действующего значения высших гармоник к действующему значению сигнала основной частоты:

где V k – k-й гармонический компонент сигнала V.

Эта величина, выраженная в процентах, имеет смысл, когда значение компонента основной частоты неявно задано или известно. Поэтому КГИ уместен в первую очередь для напряжения, т.к. номинальное значение напряжения известно. Чтобы оценить значение КГИ тока, важно, чтобы было определено значение тока основной частоты.

Небаланс напряжения

В теории симметричных составляющих Фортескью говорится, что любая трёхфазная система может быть представлена как сумма трёх симметричных наборов сбалансированных векторов. Первый набор имеет ту же последовательность фаз, что и исходная система - прямая последовательность. Второй набор имеет обратную последовательность фаз - обратная последовательность. Третий набор состоит из трёх векторов в фазе - нулевая последовательность или униполярные составляющие.

Нормальная трёхфазная сеть имеет три фазы с одинаковой амплитудой со сдвигом фаз на 120°. Любое отклонение (амплитуды или фазы) приводит к возникновению составляющих обратной последовательности и (или) составляющей нулевой последовательности.

Небаланс напряжения обычно определяется как отношение составляющей обратной последовательности к составляющей прямой последовательности и выражается в процентах. Строго говоря, униполярная часть тоже должна учитываться в определении. Однако поскольку обратная последовательность является наиболее существенной с точки зрения отрицательного влияния на работу двигателей с прямым пуском от сети (за счет создания обратного момента), исторически определение небаланса часто ограничивается приведённым в этом разделе.

Фликер

Согласно Международному электротехническому словарю Международной электротехнической комиссии (МЭК), фликер определяется как «восприятие нестабильности визуального ощущения, вызванное освещением, яркость или спектральное распределение которого изменяется во времени». Практически колебания напряжения сети приводят к изменению яркости свечения ламп, что в свою очередь приводит визуальному явлению, называемому фликером (мерцанием). Небольшой уровень мерцаний может быть приемлемым, но если он выше определённого уровня, то начинает раздражать людей, присутствующих в данном помещении. Степень раздражения очень быстро растёт с увеличением амплитуды колебаний. При определённых частотах повторения колебаний напряжения даже малые их амплитуды могут быть заметными.

Анализ влияния фликера на людей сложен, так как он зависит не только от технических аспектов, например, характеристик ламп, на которые подаётся флуктуирующее напряжение, но также от индивидуального восприятия данного явления глазами/мозгом человека. В этой области проводились многочисленные исследования, например, Международным союзом электронагрева (UIE). Результатами проделанной работы стали кривые фликера и технические характеристики фликерметра. Исходные характеристики были представлены в стандарте МЭК 868, который в настоящее время заменён на стандарт МЭК 61000-4-15.

Был определён уровень фликера P 1 . P может оцениваться за 10 мин. (Pst – кратковременная доза фликера) или за 2 ч (Plt – длительная дозафликера). Уровень фликера, равный 1, соответствует величине фликера, которая раздражает 50% испытуемых, и определяется как порог раздражения. Кривые фликера в общем случае показывают амплитуду прямоугольных колебаний напряжения, при которой на определённой частоте колебаний уровень фликера равен 1.Иногда также показывается порог восприятия фликера, который ниже порога раздражения. На рис. 2 приведён пример кривой фликера Pst = 1 для системы 220 В.

Нормативные документы

Правила поставщиков электроэнергии в отношении гармонических искажений обычно основываются на признанных результатах работы, проделанной авторитетным и независимыми органами, которые определили максимально допустимые уровни искажений, при которых оборудование может работать нормально.

Основными принципами правил являются следующее:

· ограничение общего уровня гармонических искажений (КГИ напряжения), создаваемых потребителем. При этом считается, что если общий допустимый уровень гармонических искажений напряжения составляет, например, 5% (от напряжения основной гармоники), это ограничение должно быть разделено между всеми подключенными пользователями. Могут также устанавливаться предельные значения для отдельных гармонических компонентов (например, предельный уровень 3% дляотдельных гармоник напряжения);

· преобразование допустимых пределов ограничения напряжения в пределы тока, который может протекать в системе энергоснабжения. Пределы тока могут бытьлегко проверены путём измерений.

Ограничения, налагаемые поставщиками, всегда применяются в точке присоединения к энергосистеме, которая определяется как точка соединения между поставщиком электроэнергии и электроустановкой пользователя. В большинстве случаев это уровень среднего напряжения. Однако часто консультанты проекта считают, что стандартные ограничения поставщика должны применяться на уровне низкого напряжения, так как их основная задача – иметь допустимый уровень искажений именнов этой точке сети, поскольку в этом случае низковольтные нагрузки будут работать без проблем.

Для ограничения величины реактивной мощности многие поставщики устанавливают минимальные значения cos φ для электроустановки. Если cos φ установки меньше этого значения, будет взиматься штраф. Особой проблемой в этой области является ситуация, когда локально используются генерирующие мощности навозобновляемых источниках энергии (например, солнечные батареи) для выработки активной мощности. Это приводит к уменьшению значения cos φ мощности,потребляемой от энергосистемы (потребление активной мощности уменьшается на величину мощности солнечных батарей, а реактивная мощность не изменяется).Поэтому в некоторых странах компании, инвестирующие в экологически чистую энергию, при таком подходе косвенно штрафуются поставщиками электроэнергии.

Для ограничения проблем, связанных с несимметрией напряжений и токов, поставщики обычно ограничивают максимальный небаланс напряжений сети (к примеру, до2%). В низковольтных конденсаторных установках (например, в центрах обработки данных) нередко встречаются ограничения по напряжению между нейтралью иземлёй (например, не более 2 В), так как это необходимо для правильной работы подключенного оборудования.

Для обеспечения соответствия нормам на гармоники, заданным поставщиками электроэнергии или консультантами, и повышения надёжности и эффективности электроустановки может потребоваться установка оборудования для компенсации. Схема такой установки будет выглядеть следующим образом:

Решение при стабильном уровне потребления реактивной мощности

На практике большинство обычных не производящих гармоники нагрузок, которые имеются в электроустановке (например, асинхронные двигатели, трансформаторы ит. п.), потребляют активную и индуктивную реактивную мощность. Поэтому значение их cos φ находится в пределах от 0 до 1 (индуктивный).

Если cos φ низкий, эффективность передачи энергии снижается. У некоторых современных нагрузок, таких как регулируемые приводы или оборудование компьютерныхдатацентров, cos φ может также стать и емкостным (например, 0,9 емкостной). Это может создать определённые проблемы, к примеру, привести к необходимости снижения мощности систем бесперебойного питания этих нагрузок или невозможности работы этих нагрузок от генератора при определённых условиях.

Если нагрузка является индуктивной и относительно постоянной, обычной практикой является установка конденсаторной установки, коммутируемых с помощью контактора (рис. 4). Реакторы используются только при наличии в сети гармонических искажений.

Контроллер коэффициента мощности сравнивает величину реактивной мощности, имеющейся в сети, с заданным значением (например, заданная величина cos φ = 0,95)и коммутирует ступени конденсаторов для достижения этого значения.

При использовании этой технологии необходимо обращать внимание на следующие аспекты:

используемый контроллер коэффициента мощности должен правильно работать при наличии гармонических искажений и должен поддерживать работу с регенеративными нагрузками;
пусковые токи при коммутации конденсаторных ступеней с помощью контакторов могут быть очень большими, это может привести к значительным искажениям напряжения сети. Пример такой ситуации изображён на рис. 6, на котором показан результат подключения конденсатора 50 квар к слабой сети.

На рис. 5 видно, что максимальное значение тока при переходном процессе достигает 4000 A. Подобные значения тока приводят к возникновению переходного процесса напряжения со значительными изменениями его величины. Такой переходной процесс напряжения может сказываться на работе чувствительного оборудования, которое используется, к примеру, в больницах. Поэтому некоторые поставщики электроэнергии не разрешают коммутацию мощных конденсаторных ступеней при помощи контакторов.

При наличии в сети гармонических искажений имеется большая вероятность того, что имеются гармоники на частотах, равных или близких к резонансной частоте конденсаторной установки. Это может привести к усилению гармоник из-за резонанса и создать в системе много технических проблем. В качестве примера рассмотрим гармонические искажения напряжения и перегрузку конденсаторной ступени, когда трансформатор 600 кВА питает нагрузку в виде привода постоянного тока 200 кВт.

Система электропривода постоянного тока заменена нагрузкой в виде двигателя, которая успешно скомпенсирована конденсаторной батареей 125 квар (5 ступенейпо 25 квар). В Таблице № 2 приводятся результирующие значения cos φ, коэффициента гармонических искажений напряжения (КГИU) и перегрузки по току конденсаторной батареи при подключении её ступеней для достижения заданного значения cos φ = 0,92.

Таблица № 2. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар

Подключенные конденсаторные ступени	Резонансная частота f r , Гц	Результирующий cosφ

	1050 (близка к 21-й гармонике)
	740 (близка к 15-й гармонике)
	603 (близка к 12-й гармонике)
4 (100 квар)	522 (близка к 11-й гармонике
5 (125 квар)	467 (близка к 9-й гармонике)
* – относительно номинального тока конденсатора. Значение 100% соответствует номинальному току.

Из Таблицы № 2 видно, что из-за резонанса на различных частотах при подключении различного числа ступеней гармонические искажения напряжения сети значительно увеличиваются. Это приводит к нарушениям в работе других нагрузок, подключенных к данной сети. Кроме того, в каждом цикле коммутации происходит перегрузка по току конденсатора, значительно превышающая его номинальный ток. Это обычно приводит к преждевременным отказам емкостных элементов.

Проблемы можно избежать, оборудовав конденсаторные батареи антирезонансными дросселями. Дроссель подключается последовательно с конденсатором, при этом частота резонанса цепи конденсатора и дросселя выбирается значительно ниже частоты первого гармонического компонента, имеющегося в сети. Практическое значение коэффициента расстройки р составляет 7% для промышленных сетей и 12,5 или 14% для коммерческих сетей. Соотношение между значением р и резонансной частотой контура определяется выражением (1).

где f 1 – частота сети в Гц, f tuning – резонансная частота LC-контура в Гц, р – коэффициент расстройки LC-контура в абсолютном значении (к примеру, 0,07).

В Таблице № 3 приведены параметры сети и батареи для того же примера, когда имеющаяся конденсаторная батарея была заменена конденсаторной батареей с антирезонансными дросселями с коэффициентом расстройки 7%.

Таблица № 3. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар с антирезонансными дросселями

Подключенные конденсаторные ступени	Результирующий cos φ	Перегрузка по току конденсаторной батареи * , %




4 (100 квар)
5 (125 квар)
* – относительно номинального тока конденсатора. Значение 100% соответствуют номинальному току. Напряжение питания равно 110%. Поэтому перегрузка по току на частоте 50 Гц составляет 110%.

Из Таблицы № 3 можно сделать вывод, что использование соответствующего антирезонансного дросселя уменьшает нагрузку на конденсатор ступени до допустимых уровней. Также видно, что конденсаторная батарея с соответствующими антирезонансными дросселями может уменьшать гармонические искажения напряжения сети.

Решения при быстро меняющихся уровнях потребления реактивной мощности

Если величина необходимой реактивной мощности быстро меняется или очень велика, конденсаторные батареи, коммутируемые с помощью контакторов, по причинам, описанным выше, применяться не могут. В этом случае обычно используются конденсаторные батареи с тиристорным управлением. В таких приложениях часто:

эффективность передачи энергии очень мала из-за низкого cos φ установки (к примеру, 0,3–0,5);
максимальный ток потребления настолько высок, что это приводит к недопустимому падению напряжения, к примеру, при пуске двигателя, и (или) квозникновению фликера.

На рис. 6 показан пример графика потребления реактивной мощности портового крана, которая в большинстве случаев не может быть скомпенсирована обычными конденсаторными батареями с управлением с помощью контакторов.

Существуют различные типы систем управления конденсаторных батарей с тиристорным управлением. В некоторых устройствах контактор просто заменяется тиристором без оптимизации момента включения. В этом случае переходный процесс подобен переходному процессу батареи с управлением при помощи контакторов(см. рис. 4). Это видно из анализа эквивалентной схемы цепи включения.

Характеристику переходного процесса этой схемы можно определить с помощью выражения:

,(2)

где V N – мгновенное значение напряжения сети, V C – мгновенное значение напряжения на конденсаторе, С – значение ёмкости, Ф, L –значение индуктивности, Гн.

Переходный процесс наблюдается, если момент коммутации не соответствует моменту времени, когда V N равно V C . На рис. 9 показан видпереходного процесса при правильном включении ступени батареи с тиристорным управлением.

В отличие от примера рис. 5 здесь нет существенного переходного процесса, если конденсаторная батарея спроектирована должным образом. Такое решение также подходит при наличии чувствительных нагрузок, даже если нагрузки сильно не изменяются.

Кроме обеспечения мягкого подключения реактивной мощности большой величины конденсаторные батареи с тиристорным управлением также применяются для компенсации падения напряжения и устранения фликера.

Следует отметить, что причиной падения напряжения в системе является не только реактивная мощность, но также и активная. Поэтому лучшие конденсаторные батареи с тиристорным управлением имеют функцию компенсации падения напряжения, возникающего из-за обоих компонентов тока. Это особенно важно при слабойсети с низким отношением реактивного сопротивления к активному и при относительно высоком cos φ нагрузки (к примеру, дробилки). В этих условиях изменения напряжения чаще возникают из-за изменения активной мощности. Использование конденсаторной батареи, которая не может компенсировать падение напряжения из-запередачи активной мощности, обычно приводит к неудовлетворительным результатам.

Для компенсации фликера очень важными для получения идеальной характеристики компенсации являются достаточно малое время отклика конденсаторной батареи икак можно меньшая величина ступени. На рис. 10 показана характеристика компенсации падения напряжения для конденсаторной батареи с тиристорным управлением, которая предполагает, что при включении компенсатора падение напряжения полностью сводится к нулю. Однако компенсатор имеет определённое время реакции вначале и конце цикла. Предполагается, что падение напряжения происходит мгновенно из-за резкого изменения нагрузки (например, если нагрузкой является сварочная установка).

В Таблице № 4 приведены значения коэффициента уменьшения фликера, которые могут быть получены с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемпри использовании метода прямоугольной компенсации (рис. 10) с задержкой ΔT = ΔT 1 = ΔT 2 . Эти результаты были получены для нагрузок, которые запускаются и останавливаются мгновенно и которые являются причиной колебаний напряжения из-за потребления мощности на основной частоте. Подразумевается, что основная частота равна 50 Гц. Приведённые значения являются приблизительными и относятся к случаям, когда задержка компенсации является частью цикла нагрузки. Коэффициент уменьшения фликера определяется как отношение значений Pst с компенсатором и без него.

Таблица № 4. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод прямоугольной компенсации)

Из Таблицы № 4 можно сделать вывод, что в данных условиях конденсаторная батарея с тиристорным управлением со временем отклика больше 20 мс будет неуменьшать, а увеличивать уровень фликера. Наилучшие результаты могут быть получены с помощью устройств, которые могут включаться мгновенно при увеличении нагрузки.

Другой стратегией компенсации является метод треугольной компенсации. При этой стратегии компенсатор при появлении нагрузки реагирует немедленно. Вначальный момент уровень компенсации является низким, а после завершения времени переходного режима ΔТ достигается полная компенсация. При резком пропадании нагрузки компенсатор вновь реагирует немедленно и после завершения переходного времени ΔТ компенсация полностью отключается.

Принцип метода треугольной компенсации показан на рис. 11, а полученные результаты представлены в Таблице № 5.

Таблица № 5. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод треугольной компенсации)

При сравнении результатов компенсации фликера с помощью метода треугольной компенсации и обычного метода прямоугольной компенсации преимущества первого очевидны, так как при той же задержке компенсатора может быть достигнут более высокий коэффициент уменьшения фликера. Так как необходима мгновенная реакция компенсатора, понятно, что он не может быть реализован только с помощью оборудования с тиристорной коммутацией. Реализация такого устройства возможна спомощью IGBT-преобразователя.

Из этого раздела можно сделать вывод, что для эффективной работы конденсаторной батареи с тиристорным управлением в широком спектре приложений она должна иметь коммутатор без переходных процессов, быть способна компенсировать падение напряжения из-за потока активной мощности и, в зависимости от приложения, иметь высокое быстродействие.

Решение при наличии гармонических искажений и небалансе нагрузки

Для уменьшения гармонических искажений много лет использовались и предлагаются в настоящее время пассивные фильтры. В низковольтных установках это решение становится всё менее и мене применимым по следующим причинам:

мощность низковольтных установок растёт, это относительно быстро приводит к перегрузке пассивного фильтра;
современные нагрузки (например, регулируемые приводы, современные системы освещения) имеют очень хороший cos φ (иногда даже емкостный). При установке пассивного фильтра это может привести к перекомпенсации. Такая ситуация в сочетании с ограниченной способностью типовых резервных генераторов работать приемкостном cos φ может привести к снижению надёжности установки;
пассивные фильтры в низковольтных электроустановках обычно предназначены для гармоник низких порядков, тогда как в настоящее время имеется тенденция к появлению проблем из-за высокочастотных гармоник. Поэтому пассивный фильтр может не решить технические проблемы, связанные с такими гармониками;
эффективность фильтрации пассивного фильтра определяется соотношением импедансов пассивного фильтра и сети и поэтому не может быть гарантирована. В связис этим при использовании пассивных фильтров практически невозможно обеспечить соответствие нормативным документам.

По перечисленным выше причинам в приложениях для среднего и низкого напряжения существует общемировая тенденция отхода от применения пассивных фильтров впользу решений, основанных на активной фильтрации.

Наиболее распространенные активные фильтры основаны на применении силовой электроники. Они устанавливаются параллельно фидерам, питающим "загрязнённые" нагрузки (рис. 12).

Активный фильтр состоит из силовой части и системы управления.

В силовой части, как правило, применяется ШИМ-преобразователь на IGBT, подключенный к сети через согласующую схему. IGBT-ключи используются для усиления управляющих сигналов, являющихся компенсирующими сигналами токов и напряжений. Схема связи содержит выходной фильтр нижних частот, который поглощает высокочастотные компоненты, создающиеся при коммутации ШИМ-преобразователя, и пропускает токи компенсации гармоник.

Система управления на основании измерений тока получает информацию о том, какие гармоники имеются в сети. Затем система управления вычисляет величины управляющих сигналов, представляющих собой токи компенсации, которые должны быть введены в сеть. Эти управляющие сигналы подаются на ШИМ-преобразователь, который их усиливает и вводит в сеть.

В более функциональных фильтрах ABB серии PQF контроллер также анализирует требования, задаваемые пользователем, и может генерировать для каждой частоты ток гармоники (ток компенсации), противоположный по фазе измеренному току искажений.

Благодаря своему принципу работы активные фильтры при увеличении нагрузки выше номинальной мощности фильтра не перегружаются, а продолжают работать своей на номинальной мощности. Кроме того, активные устройства можно довольно легко наращивать в отличие от устройств на пассивных фильтрах, при попытках наращивания которых часто встречаются определённые трудности.

Для получения хорошего результата во всей рабочей полосе частот фильтра имеют решающее значение два фактора:

использование системы управления с обратной связью;
использование частотного метода при обработке и контроле тока искажений.

Эти факторы, присутствующие в устройствах ABB серии PQF, подробно рассматриваются далее. Активные фильтры с обратной связью и без обратной связи отличаются местом установки измерительных трансформаторов тока (рис. 13).

В системах с обратной связью измеряются ток нагрузки и ток коррекции фильтра, и при этом вносятся поправки. Благодаря обратной связи могут быть исправленыили устранены любые погрешности измерений или другие ошибки.

В системах без обратной связи происходит измерение и обработка результатов измерения тока нагрузки. Затем сигнал задания, находящийся в противофазе к измеренному подаётся на IGBT-мост. Так как обратной связи нет, результирующий ток линии может содержать компоненты ошибки, которые не видны системе управления.

Таким образом, к системе управления с обратной связью могут быть отнесены следующие свойства, отличающие её от системы управления без обратной связи:

системы управления с обратной связью позволяют избавиться от ошибок в контуре управления и из-за внешних возмущений, а системы управления без обратной связи не имеют такой возможности;
системы управления с обратной связью могут реагировать так же быстро, как системы без обратной связи, при условии соответствующего выбора параметров контура управления.

Другим аспектом системы управления активным фильтром является выбор между методом анализа во временной области или методом анализа в частотной области.

В методе анализа во временной области из измеренного сигнала тока удаляется компонент основной частоты. Затем получившийся сигнал инвертируется и подаётсяна IGBT-мост активного фильтра. При этом не учитывается то, что характеристики сети, измерительных трансформаторов тока, а также характеристики аппаратнойчасти и программного обеспечения активного фильтра отличаются на разных частотах. В результате на практике активные фильтры, в которых используется этотметод, при увеличении частоты ухудшают свои характеристики.

В методе анализа в частотной области каждая гармоника и её соответствующие характеристики системы рассматриваются отдельно, и работа устройства может быть оптимизирована для гармонических компонентов в рабочей полосе частот фильтра. Поэтому одинаково высокое качество фильтрации может быть достигнуто во всей рабочей полосе частот. На рис. 14 схематически представлен метод фильтрации с анализом в частотной области.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что наилучшую фильтрацию можно получить с помощью активного фильтра со схемой управления, имеющей обратную связь и использующей индивидуальный частотный метод. Такие фильтры имеют также следующие преимущества:

для каждой гармоники можно задать пользовательские требования (к примеру, соблюдение требований стандарта);
можно выбирать отдельные гармоники с целью оптимального использования ресурсов фильтра (к примеру, случай, когда не требуется фильтровать 5-ю гармонику,которая уже устранена другим фильтрующим устройством);
могут поддерживаться точные заданные значения cos φ. Это позволяет использовать такие фильтры в приложениях, где необходим точный контроль cos φ, чтобы избежать нарушений в работе установки (например, отключения генератора);
может быть реализована точная балансировка нагрузки, это позволит разгрузить нейтраль системы и обеспечить поддержание минимального уровня напряжения между нейтралью и землёй. Также можно обеспечить сбалансированность нагрузки, к примеру, ИБП. На рис. 15 приведён пример балансировки с использованием активного фильтра с обратной связью ABB серии PQF.

В дополнение к перечисленным функциям более продвинутые фильтры позволяют минимизировать потери работающего оборудования и обеспечить увеличение надёжности благодаря дополнительным функциям (например, уменьшение номинальных параметров при повышенной температуре и т.п.).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Устройства, предназначенные для повышения качества электроэнергии, широко применяются для выполнения различных задач. В этом разделе представлены некоторые реальные результаты, достигнутые с помощью высокоэффективных конденсаторных батарей с тиристорным управлением Dynacomp и активных фильтров PQF производстваABB.

В первом примере рассматривается качество электроэнергии на морских буровых установках. Такие энергосистемы часто имеют низкое значение cos φ, большое потребление реактивной мощности и высокое содержание гармоник напряжения и тока. Это, как правило, приводит к снижению производительности буровой установкис возможными остановками работы и связанными с этим экономическими потерями, а также к несоответствию требованиям по сертификации. Типовая схема такой установки показана на рис. 16 (см. также Таблицу № 1).

С учётом характера проблем было решено установить конденсаторную батарею с тиристорным управлением типа Dynacomp производства ABB с антирезонансными реакторами 7%. Основной задачей конденсаторной установки было резкое увеличение cos φ, а также снижение гармонических искажений до допустимого уровня. В Таблице № 6 приведены основные параметры установки с компенсатором и без него.

Таблица 6. Основные параметры установки с компенсатором и без компенсатора

Электрические параметры	С Dynacomp (тест 2)	Без Dynacomp (тест 3)
Ток линии
Коэффициент мощности
Напряжение линии
Полная мощность

Ток установки с компенсатором и без компенсатора показан на рис. 17.

Анализ Таблицы № 6 и рис. 17 позволяет сделать вывод, что качество электроэнергии в установке благодаря установке компенсатора резко увеличилось, а потребление мощности и тока от энергоустановки сильно сократилось. Гармонические искажения напряжения снизились до допустимого уровня. Результатом этого явилась более эффективная и бесперебойная работа с более высокой производительностью: в нормальных условиях один генератор может быть отключен, при этом может поддерживаться работа без проблем при нагрузке 110% в течение нескольких недель. Аналогичные применения на морских буровых установках иногда включают в себя активные фильтры в случае, если искажения очень сильные и не могут быть устранены только с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемили при наличии особых требований по содержанию гармоник.

Другой проблемой, часто встречающейся на морских платформах, является невозможность включения дополнительных двигателей из-за низкого значения cos φ. Эта ситуация иллюстрируется рис. 18, на котором показана попытка пуска двигателя на морской буровой установке. Из-за ограничения мощности электростанции и низкого cos φ установки пуск двигателя невозможен, при этом возникает потенциально опасный эффект качания, и поэтому двигатель необходимо отключить.

С установленным компенсатором мощность, потребляемая от энергоустановки, резко снижается, и имеющийся запас мощности позволяет успешно запустить двигатель.При этом установка может работать при номинальных параметрах более эффективно, чем до установки компенсатора.

В качестве другого примера повышения качества электроэнергии рассмотрим разработку нефтяного месторождения, где имеется одна центральная энергоустановка, питающая кустовые бурильные и насосные станции. Подавляющим большинством нагрузок были регулируемые приводы переменного тока. Имелось около 40 кустов,каждый с нагрузкой порядка 2 МВт. Без активных фильтров на стороне низкого напряжения куста КГИU = 12%, КГИI = 27% (рис. 19).

После установки активных фильтров КГИU упал до 2%, а КГИI – до 3% (рис. 20). Это привело к значительному улучшению качества электроэнергии кустов ипозволило предприятию добиться соответствия ограничениям стандарта IEEE 519 и обеспечить бесперебойную работу кустов.

В следующем примере рассматривается качество электроэнергии на судне. Судно имеет силовую энергоустановку, содержащую два генератора, вырабатывающих по 600А. Основными нагрузками были два привода постоянного тока двигателей. Без компенсации КГИ тока составлял примерно 25%, а соответствующий КГИ напряжения –около 22%. Значение cosφ установки было около 0,76. Типовой расход топлива корабля находился в пределах 14 000 – 15 000 л/мес.

Требованиями заказчика были снижение гармонических искажений до допустимого уровня, чтобы избежать технических проблем с двигателями корабля, и компенсация реактивной мощности без риска перекомпенсации. Исходя из этого были выбраны и установлены активные фильтры ABB. После установки фильтров все технические проблемы оказались решены, но кроме этого, к удовлетворению заказчика, оказалось, что он смог сэкономить порядка 10% затрат на горючее. В годовом исчислении экономия составила около 18 000 л. Причиной явилось несколько факторов, основным из которых считается то, что один генератор мог отключаться более часто благодаря улучшению качества электроэнергии.

Как показано в предыдущих примерах, проблемы качества электроэнергии из-за наличия больших загрязняющих нагрузок часто возникают в промышленных сетях.Однако и в коммерческих приложениях качество электроэнергии тоже имеет значение. В таких сетях обычно имеется много однофазных загрязняющих нагрузок,которые создают следующие проблемы:

увеличение гармонической нагрузки на оборудование, которое, как правило, является более уязвимым, чем промышленное оборудование;
возникновение резонанса с конденсаторными батареями из-за наличия 3-й гармоники при неправильно выбранном антирезонансном дросселе или при егоотсутствии;
превышение номинального тока проводника нейтрали;
повышенное напряжение между нейтралью и землёй, величина которого может быть недопустимой для работы оборудования и (или) с точки зрения безопасности;
наличие емкостного cos φ у современного серверного оборудования. Это потенциально может привести к необходимости снижения номинальных параметров систем бесперебойного питания и т.д.

На рис. 21 показано офисное здание, в котором наблюдались проблемы с качеством электроэнергии. Периодически происходили остановки лифтов, это вызывало недовольство пользователей, администрации объекта и владельца. Кроме того, при работе перегревались кабели питания, а также имелись другие технические неполадки.

ABB были установлены батареи компенсации реактивной мощности в сочетании с активными фильтрами. Это решило все проблемы. Кроме того, применённое решение оценил местный поставщик электроэнергии. Согласно его заключению, повышение качества электроэнергии привело к уменьшению величины выброса газов с тепличным эффектом, эквивалентному выбросам при движении 25 больших грузовых автомобилей.

В последнем примере рассмотрим качество электроэнергии в престижном многозвёздочном отеле. В отеле имеются номера-люкс, обычные номера, залы ибизнес-центры. Типовыми нагрузками являются скоростные лифты, светорегуляторы и другое сложное осветительное оборудование, а также типовое офисное оборудование, включая компьютеры, принтеры и т.п.

Результатом работы с такими нагрузками было ухудшение качества электроэнергии, в частности, стабильности напряжения. При этом изменение параметров нагрузокв одной части здания влияло на работу нагрузок в других помещениях. Такая ситуация была совершенно недопустимой, потому что приводила к снижению качества оказываемых услуг. Были проведена работа по поиску решения, и после установки фильтрующего оборудования ABB проблемы качества электроэнергии исчезли.

Мы рассмотрели с вами аспекты, касающиеся важности хорошего качества электроэнергии, разные оценки экономических потерь при плохом качестве электроэнергиии возможные решения. Мы выяснили, что качество электроэнергии определяется с помощью параметров, которые характеризуют степень загрязнения гармониками, реактивную мощность и небаланс нагрузки.

Проблеме обеспечения качества электрической энергии (КЭ) в электроэнергетических системах России всегда уделялось большое внимание . Разработано много методик составления общих схем замещения систем электроснабжения с несинусоидальной и несимметричной нагрузкой с учетом взаимного влияния энергопотребителей .

В настоящее время практического решения этой проблемы не наблюдается в связи с отсутствием рычагов управления на законодательном уровне. До сих пор в стране не утвержден регламент по качеству электрической энергии. Сертификация электрической энергии в России по двум показателям (установившееся отклонение напряжения и отклонение частоты) не способна решить задачу обеспечения качества в сетях электроснабжения даже в малой степени. Во многом это является принудительным и затратным мероприятием для сетевых организаций, а неплатежи абонентов еще более осложняют эту задачу.

Вместе с тем уже сейчас можно сделать значительный шаг в направлении обеспечения требуемого уровня КЭ сетевых энергосистем (СЭС), затрачивая при этом со стороны сетевых компаний незначительные средства. Речь идет о постепенном переходе к принципам экономической заинтересованности всех сторон в обеспечении требуемого КЭ, которая определяется степенью искажения напряжения электрической сети за счет помех, вносимых как энергоснабжающей организацией, так и потребителями.

Ключевыми здесь являются следующие моменты:

Практическое введение договорных обязательств о разделении взаимной ответственности за КЭ между поставщиками и потребителями электроэнергии;

Разработка системы мер экономического поощрения или наказания в зависимости от воздействия субъекта СЭС на КЭ в сети;

Разработка технических средств измерения и их серийного производства, которые позволят инструментально реализовывать принятые экономические меры;
- введение обязательной сертификации всех вновь присоединяемых и реконструируемых потребителей и электрических станций по допустимому вкладу (эмиссии) в искажения напряжения.

Для обеспечения качества электроэнергии в системах электроснабжения необходимо решить основные задачи:

1.Необходимо разработать и официально утвердить методику определения виновника искажений ПКЭ

2.Обеспечить применение средств учета электроэнергии при одновременном непрерывном контроле ее качества.

Принятая в настоящее время система скидок и надбавок является, по существу, поощрительной и на практике, насколько нам известно, еще не применялась. Одной из основных причин здесь является то, что в настоящее время отсутствуют приборы, которые измеряли бы показатели качества электроэнергии (ПКЭ) на достаточно длительных интервалах времени (не менее месяца) с одновременным учетом потребленной электроэнергии и определением виновника вносимых искажений. Ключевую роль в этом вопросе должно сыграть широкое применение счетчика электрической энергии, который осуществляет расчет за потребленную (отпущенную) электроэнергию в зависимости от показателей ее качества. Такой прибор должен иметь высокую точность (класс 0,5) и измерять одновременно активные и реактивные мощности (в том числе и мощности искажений) во всех квадрантах.

Качество электроэнергии проявляется через качество работы каждого электроприемника. Современные электрические приборы в том числе и бытовые обязательно оснащены стабилизирующим блоком питания (холодильник, кондиционер, стиральная, посудомоечная машина, компьютер и телевизор), они призваны стабилизировать показатели качества электрической энергии с целью максимально продлить срок службы самого прибора. Но формируя пригодные показатели для питания приборов, они неминуемо портят кривые тока и напряжения в сети 220В из-за генерации ими высших гармоник. Это происходит даже на режиме холостого хода, когда телевизор включен в сеть, но не работает.

Генерируемые гармоники оказывают стимулирующий эффект на счетчики электроэнергии, они «разгоняют» счетчик, заставляют его работать в пределах своей погрешности, но в диапазоне завышения значений.

Почему же так важно для потребителя обращать внимание на класс точности? Какую погрешность счетчика выбрать выгоднее?

При сравнении, разница показаний в погрешностях между классом точности 0,5 и 1,0 электросчетчика составляет 3,0%. Годовая переплата за погрешность в измерениях электрической энергии составит около 30% от стоимости счётчика, за три года такая покупка полностью окупит себя.

С учетом постоянного роста стоимости электрической энергии, использование счётчика с классом точности 0,5 позволит точно учитывать потребление и экономить свой бюджет.

Наилучшим решением для потребителя по замене электронного прибора по учёту электрической энергии будет счётчик с классом точности 0,5.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.

2. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.– М.: Энергосервис, 2002.

3. Г.С. Кудряшев, А.Н. Третьяков, О.Н. Шпак, Рахмет Халымийн // Актуальные проблемы эксплуатации машинно-тракторного парка, технического сервиса, энергетики и экологической безопасности в АПК.– Иркутск: ИрГСХА, 2007.

УДК 621.311