Качество электрической энергии
Под качеством продукции понимают совокупность ее свойств, определяющих пригодность ее к использованию по назначению. Или, более строго: качество есть совокупность свойств продукции, определяющих ее потребительную стоимость [2].
Электрическая энергия - это особый вид продукции, вырабатываемой электрическими станциями и транспортируемой по электрическим сетям потребителю. В соответствии с ГОСТ 13109-97 к свойствам электрической энергии, определяющим ее качество, относятся:
- отклонение напряжения;
- колебания напряжения;
- несинусоидальность напряжения;
- несимметрия трехфазной системы напряжения;
- отклонение частоты;
- провал напряжения;
- импульс напряжения;
- временное перенапряжение.
Отклонение напряжения - это отличие фактического значения напряжения от номинального значения в какой-либо точке сети (узле нагрузки) в установившемся режиме.
Под колебаниями напряжения понимают резкие серийные изменения значений напряжения в сети, следующие один за другим.
Несинусоидальность напряжения - это отличие формы кривой напряжения в сети переменного тока от синусоиды.
Несимметрия трехфазной системы напряжения - это неравенство между собой фазных или (и) междуфазных напряжений.
Под отклонением частоты подразумевают отличие ее фактического значения от номинального.
Провал напряжения - это внезапное значительное понижение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких периодов до нескольких десятков секунд.
Под импульсом напряжения понимается резкое повышение его значения, за которым следует понижение до обычного уровня за промежуток времени от нескольких микросекунд до десяти миллисекунд.
Временное перенапряжение - это временное повышение напряжения над наибольшим рабочим напряжением, установленным для данного электрооборудования.
Как отмечается в ГОСТ 13109-97, наиболее вероятным виновником возникновения отклонений напряжения и частоты, провалов и импульсов напряжения и временных перенапряжений является энергоснабжающая организация.
Отклонение напряжения может быть как положительным (при напряжении, превышающем номинальное), так и отрицательным (при напряжении ниже номинального). В случае, когда фактическое значение напряжения равно номинальному, отклонение напряжения равно нулю. Появление значений отклонений напряжения, отличных от нуля, связано с технической невозможностью и экономической нецелесообразностью поддержания во всех точках сети напряжения, равного номинальному. Отклонение напряжения является случайной функцией времени, значение которой меняется в зависимости от режима активных и реактивных нагрузок сети, оперативной схемы сети, режима регулирования напряжения и ряда других факторов.
Отклонение частоты также может быть как положительным (редко), так и отрицательным (чаще). Отрицательное значение отклонения частоты свидетельствует о понижении частоты, которое происходит при появлении дефицита активной мощности в энергосистеме. Отклонение частоты является единственным свойством, показатель которого имеет общее (одинаковое) значение во всех точках энергосистемы, в то время как показатели, характеризующие все другие свойства электроэнергии, имеют в разных точках энергосистемы или системы электроснабжения различные значения.
Провалы напряжения возникают в сетях при переключениях питания с одного источника на другой, резервный (например, с одного трансформатора на другой или с одной секции шин распределительного устройства на другую), без предварительного отключения нагрузки. Необходимость в таких переключениях создается при отказах каких-либо элементов сетей. При провалах напряжения значительной глубины и длительности часть электроприемников, преимущественно электродвигателей, может отключаться или останавливаться и даже выходить из строя. При высокой интенсивности провалов напряжения потребитель может испытывать значительные неудобства в связи с расстройствами технологических процессов, выходом из строя оборудования, недовыпуском продукции и другими нежелательными явлениями.
Импульсы напряжения делятся на грозовые, возникающие при грозовых разрядах, и коммутационные, возникающие при разрыве выключателями рабочего или аварийного тока.
Импульсы напряжения могут приводить к пробоям изоляции и повреждениям сетевого оборудования и электроприемников потребителей. Во избежание этого в сетях применяются специальные аппараты - разрядники.
Причины и длительность временных перенапряжений в сетях могут быть весьма различны. При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а
длительность - нескольких часов.
Наиболее вероятными виновниками возникновения колебаний,
несинусоидальности и несимметрии напряжения являются сами потребители электроэнергии.
Источники колебаний напряжения - электроприемники с
резкопеременной или «ударной» нагрузкой такие, как дуговые сталеплавильные печи (в режиме расплава), мощные сварочные установки, тиристорные приводы прокатных станов, мощные двигатели, работающие в повторно-кратковременном режиме, характеризующемся частыми пусками, и т. п.
Источником несинусоидальности напряжения являются некоторые виды электроприемников, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику. К ним относятся дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки, газоразрядные лампы, полупроводниковые выпрямительные установки и преобразователи частоты.
Несимметрия трехфазной системы напряжения возникает в сети в тех случаях, когда нагрузка по фазам распределена неравномерно, что особенно характерно для городских сетей, питающих коммунально-бытовой сектор, а в промышленности связано с наличием мощных однофазных электроприемников (например, печей сопротивления), количество которых не кратно трем, мощности не равны между собой и режимы работы не совпадают.
В результате этих явлений в сетях возникают дополнительные потоки мощностей, вызывающие увеличение потерь мощности и энергии как в самих сетях, так и в электроприемниках, увеличиваются продолжительности технологических процессов, снижается срок службы электроприемников, понижается освещенность, происходят другие нежелательные явления.
В связи с этим возникает проблема так называемой электромагнитной совместимости (ЭМС), т. е. возможности совместной работы от электрически (линиями) или даже электромагнитно (через трансформаторы) связанных между собой сетей различных электроприемников.
Любое электромагнитное явление, которое может ухудшить работу устройства, оборудования или системы принято называть электромагнитной помехой. Проблема электромагнитной совместимости связана с так называемыми кондуктивными электромагнитными помехами в системах электроснабжения, т. е. с электромагнитными помехами, распространяющимися по элементам электрической сети.
В России действует Федеральный закон об электромагнитной совместимости, который в целях исключения бесконтрольного применения технических средств, являющихся источником недопустимых
электромагнитных помех или обладающих пониженной помехоустойчивостью, наделяет федеральные органы исполнительной власти правом осуществлять в пределах своей компетенции государственный надзор и контроль за соблюдением физическими и юридическими лицами положений, относящихся к обеспечению ЭМС. Практическое проведение этого надзора и контроля возложено на Главгосэнергонадзор России и его региональные и местные органы.
Закон устанавливает требования к разработке, вводу в эксплуатацию и непосредственно к эксплуатации технических средств. Электромагнитные помехи, создаваемые техническими средствами, не должны нарушать нормального функционирования других технических средств или представлять опасность для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Сами технические средства должны иметь уровень помехозащищенности, обеспечивающий их нормальное функционирование в среде с допустимым уровнем помех.
Качество электроэнергии в СЭС общего назначения должно быть таким, чтобы было обеспечено нормальное функционирование технических средств. Для этого ГОСТ 13109-97 устанавливает предельно допустимые значения показателей качества электроэнергии, характеризующих все
вышеперечисленные свойства. Поддержание показателей качества электроэнергии в диапазоне допустимых значений является обязательным как для потребителей, так и для энергоснабжающих организаций. Существует специальный комплекс технических средств и мероприятий, позволяющих достичь допустимых значений показателей качества электроэнергии или локализовать распространение по сети нежелательных явлений. Последнее достигается, главным образом, путем схемных решений, например выделением на отдельный трансформатор резкопеременной нагрузки. К техническим средствам, повышающим качество электроэнергии, относятся, например, трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, регулируемые конденсаторные установки, фильтрокомпенсирующие и симметрирующие установки. Затраты на улучшение качества электроэнергии при наличии мощных источников несинусоидальности, несимметрии и колебаний напряжения могут быть весьма велики, достигая в некоторых случаях уровня всех остальных затрат в системе электроснабжения. В первую очередь это может относиться к мощным и энергоемким металлургическим предприятиям.
Закон об ЭМС запрещает реализацию (поставку, продажу) и применение технических средств без сертификата, подтверждающего их соответствие требованиям ЭМС, а также поставку потребителям электрической энергии из сетей общего назначения при отсутствии сертификата у энергоснабжающей организации.
Действующий в настоящее время временный порядок сертификации электрической энергии основан на подаче энергоснабжающей организацией декларации о соответствии электрической энергии требованиям к ее качеству, проведении аккредитованной испытательной лабораторией измерений показателей качества электроэнергии в контрольных точках, а также осуществлении последующего инспекционного контроля.
Основные положения по контролю качества электроэнергии (выбор пунктов измерения показателей качества, схемы присоединения приборов, методы обработки результатов измерений и т. п.) установлены РД 34.15.501-88 - Методическими указаниями по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения.
