Показатели качества электроэнергии в электрических сетях

Классификация проверок

В зависимости от цели контроль качества распределяется на 4 вида:

• оперативный;
• инспекционный;
• диагностический;
• коммерческий учет.

Виды анализа имеют свои особенности, характеристики и целевое назначение. Необходимость проведения той или иной инспекции определяется узкими специалистами на основе общепринятых стандартов работы электрических сетей.

Диагностический вид контроля, предназначен для решения спорных вопросов между поставщиком и потребителем. Он проводится в местах распределения электричества между двумя сторонами договора. На основе полученных данных, создается официальный отчет, позволяющий доказать невыполнение правил соглашения. После рассмотрения отчета, виновная сторона будет обязана устранить нарушения и повысить качество электроэнергии.

Инспекционный контроль проводится сертифицированными службами с целью выявления отклонений от официальных требований и нормативов. Аудит является обязательным для всех сторон договора и проводится с определенной периодичностью.

При возникновении дефектов проводится оперативный контроль. Он выявляет реальные и потенциальные угрозы понижения качества электричества в сети. В результате проверки проводятся мероприятия по устранению нарушений работы и профилактические процедуры.

Коммерческий учет, предназначен для рассмотрения ставок и тарифов поставщика. Анализ осуществляется в местах раздела электросети между двумя сторонами договора. Исследование назначается при необходимости определения уровня надбавок и скидок за предоставленное качество ресурса.

Что такое качество электроэнергии?

Термин «качество электроэнергии» в МЭК определяется как набор параметров, определяющих параметры качества электроэнергии, доставляемой потребителю в нормальных условиях работы, с точки зрения бесперебойности и характеристик напряжения (симметрии, частоты, амплитуды, формы). В стандарте IEEE Std. 1100-1999 качество электроэнергии определяется как «реализация питания и заземления электронного оборудования способом, который обеспечивает нормальную работу этого оборудования и совместим с электрической сетью и другим подключенным оборудованием».

Как следует из этих определений, понятие «качество электроэнергии» включает в себя все аспекты энергоснабжения. Составляющие качества электроэнергии могут быть разделены на 3 категории: стабильность напряжения, бесперебойность подачи питания и форма напряжения. На основании этой классификации определены два критерия оценки качества электроэнергии и соответствующие конфигурации центра управления качеством

Первый из них предполагает большую важность стабильности амплитуды напряжения, то есть предотвращение провалов и выбросов напряжения, повышенного и пониженного напряжения. Второй критерий предполагает наибольшую важность бесперебойности электроснабжения

Что влияет на характеристики питающей сети?

Качество электроэнергии зависит от огромного числа факторов, изменяющих показатели сверх установленных нормативами пределов. Так, напряжение может оказаться завышенным из-за аварии на подстанции. Заниженные значения появляются в вечернее время суток или в летний сезон, когда люди возвращаются домой и включают телевизоры, электрические плиты, сплит-системы.

Качество электроэнергии согласно ГОСТам может незначительно колебаться. В очень плохих питающих сетях потребителям приходится пользоваться стабилизаторами напряжения. Контроль над характеристиками возложен на Роспотребнадзор, куда можно обращаться при возникающих несоответствиях.

Качество электроэнергии может зависеть от следующих факторов:

• Суточных колебаний, связанных с неравномерным подключением потребителями либо с влиянием приливов и отливов на морских станциях.
• Изменениями воздушной среды: влажности, образование льда на питающих проводах.
• Изменением ветра, когда питание вырабатывают ветровики.
• Качеством проводки, со временем она изнашивается.

Коэффициент несимметрии

Это один из основных параметров при оценке качества работы в трехфазных и двухфазных сетях. Превышение коэффициента, наблюдается при неравномерном распределении нагрузки по фазам. Параметр регламентирован ГОСТом и используется при проведении любых проверок сети.

Не все процессы происходят систематически. Существует ряд характеристик, которые фиксируются в случайных ситуациях. Для их возникновения требуются определенные условия и совпадения по сопутствующим изменениям.

Прерывание напряжения случается во время аварий или плановых ремонтных работ. Провалы возникают при подключении оборудования высокой мощности, или коротких замыканиях. Перенапряжения фиксируются по ряду причин:

• короткие замыкания;
• резкое снижение нагрузки;
• обрывы нейтральных проводников;
• замыкания на землю.

При воздействии молний происходят импульсивные перенапряжения.

Минимальный интервал измерений составляет неделю. За 7 дней прибор собирает достаточное количество информации для подготовки точных результатов. Математический алгоритм исключает риск ошибки и позволяет автоматизировать процесс измерений. В результате пользователь получает усредненные значения и определяет основные проблемы в работе сети.

ЗАЧЕМ ПРОВОДИТЬ ЗАМЕРЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ПКЭ)?

Все организации, независимо от форм собственности и организационно-правовых форм, индивидуальные предприниматели и граждане — владельцы электроустановок напряжением выше 1000 В, а также потребители, эксплуатирующие действующие электроустановки напряжением до 220 кВ включительно, обязаны производить замеры показателей качества электрической энергии не реже, чем 1 раз в 2 года.

К онтроль замеров показателей качества электрической энергии входит в состав обязанностей ответственного за электрохозяйство (пункт 1.2.6 Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей).

Помимо того, что замеры ПКЭ нужно проводить по ПТЭЭП , согласно статье 542 ГК РФ, качество поставляемой электрической энергии должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами, а именно требованиям ГОСТ Р 54149—2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ», вступившим в силу с 1 января 2013 года и действующим по настоящее время. Согласно п.2 данной статьи «В случае нарушения энергоснабжающей организацией требований, предъявляемых к качеству энергии, абонент вправе отказаться от оплаты такой энергии. «. Дело состоит только в том, что для подтверждения отклонений ПКЭ от установленных норм, необходимо произвести замеры этих показателей!

Признаками некачественной электроэнернии являются: низкое напряжение в сети (напряжение меньше 220 В), пониженное или повышенное напряжение на вводе в дом, неравномерность напряжения по фазам (несимметрия) и т.д.

Повышенный уровень напряжения приводит к повышению потребления электроэнергии и неоправденным переплатам. Скачки напряжения приводят к поломкам бытовой техники, причем такие неисправности не подлежат устранению по гарантии, так как производитель гарантирует работу техники только в определенных, предусмотренных ГОСТом условиях.

ШТРАФЫ ЗА ОТСУТСТВИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО КАЧЕСТВУ ЭЭ

Согласно статье 9.11 КоАП РФ, невыполение требований Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) Правил устройства электроустановок (ПУЭ) влечет наложение административного штрафа на лиц, осуществляющих предпринимательскую деятельность без образования юридического лица, — от одной тысячи до двух тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до 90 суток; на юридических лиц — от 10 тысяч до 20 тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до 90 суток.

ВЫХОД ИЗ СИТУАЦИИ

Наша организация имеет собственную электролабораторию по всем видам измерений и испытаний электроустановок и электросетей, в том числе измерение показателей качества электрической энергии. Наши сотрудники в удобные для Вас сроки выполнят как отдельные виды, так и полный комплекс испытаний и измерений Ваших электроустановок. При обнаружении неисправностей или отклонений мы БЕСПЛАТНО предоставим Вам мероприятия по их решению и устранению.

Критерии оценки качества электроснабжения

На оценку качества электроэнергии влияет большое количество различных показателей.

• отклонение напряжения;
• колебания напряжения;
• импульсное напряжение;
• отклонение частоты;
• провал напряжения;
• доза фликера;
• коэффициент временного перенапряжения.

Отклонение напряжения

Величина рассчитывается специальным коэффициентом, который характеризует установившееся отклонение по отношению к номинальным. Убедиться в надлежащем качестве можно с помощью специального измерительного приемника электричества.

Колебания напряжения

Величина характеризует отклонения амплитуды колебания электрического тока в проводах. Колебание напряжения – это составной параметр качества. Чтобы его вычислить потребуется предварительно рассчитать:

• продолжительность и частоту отклонений;
• дозу колебаний;
• размах изменений.

Для вычисления параметров также потребуется специальное измерительное оборудование высокой точности.

Импульсное напряжение

Величина проявляется в виде непродолжительного увеличения амплитуды электричества. Как правило, причиной таких скачков становятся коммутационные процессы или непогода за окном. Подобные состояния сети характеризуются непредсказуемостью, следовательно, нормирование импульсов не предусмотрено.

Отклонение частоты

Для этого параметра в сетях общего использования установлено значение 50 Гц. Нормативные стандарты допускают уменьшение или увеличение частоты на 2-4%. Если допустимые отклонения превышены, наблюдается выход из строя электротехнического оборудования, электрогенераторы дают сбои.

Провал напряжения

Понятие характеризуется как значительное снижение амплитуды с последующим восстановлением за короткий промежуток времени. Основные провоцирующие факторы – резкое увеличение нагрузки или КЗ.

Данный показатель описывается следующими характеристическими особенностями:

• частота отклонений за единицу времени;
• сила проседания напряжения — в некоторых случаях она может стремиться к нулю;
• продолжительность.

Доза фликера

Параметр показывает, какое воздействие на организм человека оказывает мерцание осветительных приборов в результате изменения параметров электричества. Вычисляется значение при помощи специального измерительного оборудования.

Коэффициент временного перенапряжения

Этот термин обозначает, насколько фактическая амплитуда выше допустимых значений. Основные провоцирующие факторы – коммутационные процессы и КЗ.

Что происходит при отклонении от нормальных режимов питания

От качества поставляемого энергоресурса напрямую зависит мощность, производительность и срок службы электротехнических приборов, особенно в промышленных масштабах. Снижение эффективности магистралей приводит к повышению потребляемой электроэнергии. В двигателях приборов снижается момент вращения, осветительные приборы регулярно мерцают, все виды ламп достаточно быстро выходят из строя.

Исследования в области физики давно показали, что при постоянной нагрузке на двигатель уменьшение напряжения приводит к стремительному повышению силы тока, что отрицательно сказывается на работоспособности, производительности и сроках службы бытовой техники и прочих электротехнических приборов. Это приводит к сгоранию электронных плат, провода с изоляционным материалом могут расплавиться.

Имитационная модель

Имитационная модель была разработана в специальном программном обеспечении — SuperHarm. Было достигнуто надлежащее соответствие между результатами измерений и результатами моделирования. Моделирование проводилось для двух эксплуатационных условий — низкой и высокой нагрузки. А также, рассматривалось использование пассивного фильтра.

На рисунках 17 и 18 показан спектр гармоник тока до и после подключения фильтра для 7-й гармоники. Достигнуто достаточное снижение искажения тока и напряжения. Фильтр размещался в точке измерения на уровне напряжения 10 кВ. Самые высокие значения коэффициентов THDU и THDI отмечены в период низкой ежедневной нагрузки, поэтому данный режим представлен на верхних рисунках. Ситуация стала лучше после установки фильтра в режиме высокой нагрузки. Улучшение качества напряжения видно на рисунках 19 и 20, а также представлено в таблице 1. Примечательно, что 7-я гармоника, значения коэффициентов THDU и THDI уменьшаются после установки фильтра (нижняя часть таблицы 7).

Рисунок 17. Спектр гармоник тока до установки фильтра в точке измерения

Рисунок 18. Спектр гармоники тока после установки фильтра в точке измерения

Рисунок 19. Спектр гармоник напряжения до установки фильтра в точке измерения

Рисунок 20. Гармонический спектр напряжения после установки фильтра в точке измерения

Таблица 7. Коэффициенты THDI и THDU в точке измерения до и после установки фильтра — режим низкой нагрузки

TS 10/0.4kV Harmonic Current Phase A & C Low Load
Name	Freq	Fund	% THD	H3	H5	H7
BUS0.4.A	50	20.0003	10.5573	0.38219	0.77426	1.92686
BUS0.4.C	50	20.9483	7.26388	0.466255	1.02319	1.02525
TS 10/0.4kV Harmonic Current Phase A & C Low Load Filter Applied
Name	Freq	Fund	% THD	H3	H5	H7
BUS0.4.A	50	19.7251	6.30617	0.398267	0.953288	0.692753
BUS0.4.C	50	21.2563	6.58458	0.485869	1.25978	0.368601

Voltage Harmonic Content Phase A & C Low Power
Name	Freq	Fund	% THD	H3	H5	H7
BUS0.4.A	50	19713.6	2.9338	77.4364	195.141	538.906
BUS0.4.C	50	20067.3	2.85104	85.0342	276.725	493.481
Voltage Harmonic Content Phase A & C Low Power
Name	Freq	Fund	% THD	H3	H5	H7
BUS0.4.A	50	19987.4	1.22174	34.492	83.1519	226.994
BUS0.4.C	50	20145.8	1.26372	37.8745	122.594	219.887

Показатели, определяющие надежность

Показателями надежности являются:

• непрерывное качественное функционирование сети;
• отсутствие сбоев системы;
• кратчайшие сроки восстановления после поломки.

Показатели надежности подтверждаются в процессе эксплуатации оборудования.

Основные влияющие факторы

К таким факторам отнесены:

• защита устройств от внешнего воздействия;
• выбор оптимального режима функционирования оборудования;
• учет распределения напряжения в узлах нагрузки;
• правильный расчет нагрузки;
• оптимальный подбор материалов;
• моделирование и учет оборудования;
• оптимальный подбор материалов;
• правильный монтаж оборудования;
• правильная стратегия поддержания работоспособности системы;
• своевременное и качественное проведение мероприятий по обслуживанию устройств;
• правильные действия обслуживающего персонала компании энергосбыта в аварийных ситуациях;
• высокий уровень квалификации специалистов;
• наличие заземления;
• соблюдение технических правил эксплуатации.

Ощутимые перепады

Измерения качества электроэнергии предусматривают замеры такой составляющей, как импульсы питающего напряжения. Он объясняется резкими спадами и подъемами электричества в пределах выбранного интервала. Причинами такого явления может быть одновременная коммутация большого числа потребителей, влияние электромагнитных помех из-за грозы.

Установлены периоды восстановления напряжения, не влияющие на работу потребителей:

• Причины перепадов — это гроза и другие природные электромагнитные помехи. Период восстановления равен не более 15 мкс.
• Если импульсы появились из-за неравномерной коммутации потребителей, то период намного больше и равен 15 мс.

Наибольшее число аварий на подстанциях происходит по причине удара молнии в установку. Сразу страдает изоляция проводников. Величина перенапряжения может достигать сотен киловольт. Для этого предусмотрены защитные приспособления, но иногда они не выдерживают, и наблюдается остаточный потенциал. В эти моменты неисправность не возникает благодаря прочности изоляции.

Проблема № 2. Наличие высших гармоник в сети

Качество электроэнергии определяется амплитудой, частотой и наличием искажения формы сигнала, идущего от системы электроснабжения. «В то время как первые две характеристики в значительной мере зависят от электроснабжающей компании, форма волны (напряжения или тока) искажается потребителями. Ведь в настоящее время большинство типовых нагрузок на предприятиях являются нелинейными, например, работа частотно-регулируемых приводов, выпрямителей, ИБП, компьютеров, энергосберегающих ламп и т.д. Вышеперечисленные устройства потребляют ток источника, не соответствующий форме волны напряжения, в итоге она искажается высшими гармониками», — поясняет Виталий Побокин, главный инженер проектов . Высшие гармоники являются растущей проблемой для поставщиков и потребителей электроэнергии, так как ведут к:

• снижению эффективности и увеличению энергопотребления;
• перегреву кабелей, электродвигателей и трансформаторов;
• повреждению чувствительного оборудования;
• срабатыванию автоматических выключателей;
• выгоранию предохранителей;
• преждевременному износу оборудования;
• перегреву и выходу из строя конденсаторов;
• появлению сильных токов в нейтральных проводах;
• возникновению резонанса в сети;
• отказу в подключении к электроснабжающим сетям в случае слишком высокого уровня гармоник.

На сегодняшний день самым современным и эффективным решением по компенсации высших гармонических составляющих является использование активных фильтров (АФГ). Они строятся, например, на модулях IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП).

Принцип применения АФГ прост: силовая электроника используется для генерирования гармонических токов, в противофазе тока гармоник, вызванных работой нелинейных нагрузок, таким образом, чтобы синусоида сохраняла максимально правильную форму.

Рис. 3. Схема подключения активного фильтра гармоник

При помощи трансформаторов тока измеряется ток нагрузки, который анализируется ЦСП для определения картины спектра гармоник. Полученные данные используются генератором тока для производства и инжекции в сеть именно такой гармонической величины (по амплитуде, форме и фазе), которая необходима для компенсации искажений нагрузки в следующем цикле синусоиды тока.

Так как активный фильтр работает на основе данных, получаемых от трансформатора, оборудование динамически адаптируется к изменениям в гармониках нагрузки. В связи с тем, что процессы анализа и генерирования контролируются программным обеспечением, устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник.

Рис. 4. Активные фильтры гармоник

Отклонение частоты

Соблюдение частоты в определенных границах относится к необходимому требованию потребителя. При снижении показателя на 1 %, потери составляют более 2 %. Это выражается в экономических затратах, снижение производительности предприятий. Для обычного человека это приводит к повышенным суммам в квитанциях по оплате за электричество.

Скорость вращения асинхронного двигателя напрямую зависит от частоты питающей сети. Нагревающие ТЭНы имеют меньшую производительность при снижении параметра меньше 50 ГЦ. При завышенных значениях может происходить повреждение потребителей либо других механизмов, не рассчитанных на высокий момент вращения.

Отклонение частоты может повлиять на работу электроники. Так на экране телевизора возникают помехи при изменении показателя на ±0,1Гц. Кроме визуальных дефектов, возрастает риск вывода из строя микроэлементов. Методом борьбы с отклонениями качества электроэнергии выступает введение резервных питающих узлов, позволяющих в автоматическом режиме восстанавливать напряжение в установленные промежутки времени.

Характеристики отдельного источника питания системы качества электроэнергии для трехфазной 4-проводной системы переменного тока

Простейшая схема, позволяющая получить различные уровни качества электроэнергии для однофазной нагрузки, показана на рис. 7. Система может выдавать 3 уровня качества электроэнергии на однофазную нагрузку при использовании трёхфазной 4-проводной системы переменного тока, одного преобразователя и аккумуляторных батарей. Этот центр управления качеством подобен изображённому на рис. 3 и является его однофазной версией. Устройство имеет несколько рабочих режимов.

Обычный режим работы. Система компенсирует трёхфазную асимметрию и гармоники напряжения, возникающие из-за нагрузки, а также токи гармоник нагрузки. Если имеется обратная мощность, генерируемая на стороне нагрузки, она накапливается в аккумуляторной батарее.

Режим компенсации кратковременных просадок напряжения. Кратковременные просадки напряжения в линиях наивысшего и высокого качества компенсируются добавлением реактивной мощности от преобразователя. Кратковременные просадки напряжения в линии нормального качества не компенсируются. Номинальный ток линии нормального качества может быть меньше, чем для других фаз, потому что эта линия не должна обеспечивать реактивный ток для компенсации кратковременных просадок напряжения.

Режим ИБП. Во время работы ИБП работает только линия наивысшего качества преобразователя, транзисторы двух других фаз закрыты. Преобразователь действует как ИБП параллельного типа, и энергия поступает от аккумуляторной батареи.

Таблица 7. Определение качества электроэнергии для центра управления качеством рис. 7

События	Нормальное качество	Высокое качество	Наивысшее качество
Повышенное и пониженное напряжение	О	О	О
Кратковременные просадки напряжения	Х	О	О
Выбросы напряжения	Х	О	О
Сдвиг фаз	Х	Х	О
Скачки	Х	О	О
Кратковременные прерывания	Х	Х	О
Временные прерывания	Х	Х	О
Длительные перерывы	Х	Х	Х
Переходные процессы	Х	Х	Х
Трёхфазная асимметрия напряжения	Δ	Δ	Δ
Гармоники напряжения	Δ	Δ	Δ
Гармоники тока	О	О	О

Подробная конфигурация экспериментального устройства приведена на рис. 8. Основными компонентами конфигурации являются трёхфазный преобразователь, аккумуляторные батареи и тиристорный ключ в фазе с энергией наивысшего качества. В качестве контроллера, показанного на рис. 8, используется цифровой сигнальный процессор ЦСП. В обычном рабочем режиме трёхфазный ток преобразуется в координаты d-q. Измеряются и компенсируются обратная последовательность, нулевая последовательность и компоненты гармоник токов нагрузки. В режиме компенсации кратковременных просадок напряжения реактивная мощность для компенсации напряжения подаётся в фазы А и В. В режиме ИБП преобразователь становится обычным источником напряжения и работает только одна фаза А.

На рис. 9 показана компенсация асимметрии тока и симметрия вторичного тока. К линиям наивысшего и высокого качества подключена активная нагрузка 2,3 кВт, к линии нормального качества подключена активная нагрузка 1,3 кВт. Коэффициент асимметрии тока после компенсации – 4,0%. На рис. 10 показана компенсация кратковременных просадок напряжения на линиях наивысшего и высокого качества.

На рис. 11 показаны экспериментальные результаты работы ИБП. Время прерывания питания равно 200 мс. Отсутствие трёхфазного напряжения на первичной стороне компенсируется только в фазе А. Вся энергия на нагрузку фазы А поступает от батареи.

На рис. 12 показана обработка потока обратной мощности от нагрузок, генерирующих электроэнергию (распределенного генератора). Для моделирования распределённого генератора использовался источник тока. К фазам А и В подключена активная нагрузка 1 кВА. К фазе С подключен источник синусоидального тока 50 А (амплитуда) со сдвигом фазы относительно напряжения на 180º. Мощность распределённого генератора больше мощности нагрузок, подключенных к фазам А и В, поэтому будет поток обратной мощности, если не будут приняты меры для его блокирования. Нулевой вторичный ток на рис. 12 свидетельствует о том, что поток обратной мощности отключен от центра управления качеством и заряжает аккумуляторную батарею.

Для системы электроснабжения с разделением потребителей по требованиям к качеству электроэнергии важно определение уровней качества электроэнергии. Аспекты качества электроэнергии, как мы убедились, делятся на 3 категории: стабильность напряжения, бесперебойность подачи питания и форма напряжения

Согласно трем категориям были рассмотрены примеры определения уровня качества и показаны соответствующие конфигурации центра управления качеством.