Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования.

Искажение формы напряжения отрицательно сказывается на работе многих элементов систем электроснабжения.

Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, — учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.

В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери активной мощности. Приблизительную оценку дополнительных потерь мощности можно выполнить по формуле:

,                                                                                (2.16)

где R_ν – активное сопротивление току ν-ой гармоники, I_ν – ток ν-ой гармоники.

 Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10…15 %. Наибольшие дополнительные потери  активной мощности возникают в трансформаторах, двигателях и генераторах. Иногда эти дополнительные потери становятся причиной недопустимого перегрева обмоток и выходу оборудования из строя.

Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

При наличие высших гармоник процессы старения изоляции оборудования протекают более интенсивно. Это объясняется ускорением физико-химических процессов в диэлектриках при высоких частотах.

Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

Выходят из строя компьютеры.

Наличие высших гармоник затрудняет, и даже делает невозможным передачу информацию по силовым сетям (высокочастотная связь).

Ухудшается работа вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока.

Нормативные документы ограничивают несинусоидальность формы кривой напряжения. Эквивалентное действующее значение высших гармоник не должно превышать 5% действующего напряжения основной гармоники на зажимах любого приёмника энергии.

Расчёт высших гармоник может быть произведён:

·        аналитическим методом;

·        вероятностным методом,

·        приближённой оценкой.

Аналитические методы выполняют с помощью ЭВМ для определения несинусоидальности формы кривой напряжения в узлах системы электроснабжения и определения целесообразности применения средств для уменьшения уровней высших гармоник. Однако такие методы требуют большого количества исходных данных и не учитывают возможных изменений параметров и режимов работы электроприёмников. Поэтому, в большинстве случаев используют вероятностные методы расчёта, основанные на экспериментальных данных, снятых с действующего оборудования.

Во многих случаях перед исследователями стоит задача просто оценить приблизительное значение высших гармоник, поэтому существуют приближённые зависимости для оценки высших гармоник. Например, для выпрямителя:

,                                                                   (2.17)

 где S_в, I_в – мощность и ток выпрямителя, S_к– мощность короткого замыкания системы, I_{в. ном.} – номинальный ток выпрямителя, p – число фаз выпрямления,u_к – напряжение короткого замыкания.

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.

Рассмотрение основных показателей

Качество электроэнергии определяют соответствием параметров электрической сети, установленным значениям определенных показателей. Все параметры электрической энергии большую часть времени в сутках (95%) должны соответствовать нормальным установленным значениям и не превышать данный предел.

ГОСТ 32144-2013 разделяет показатели и нормы качества на два категории: основные и дополнительные. Основные определяют свойства электроэнергии. В данную подгруппу входит 9 характеристик напряжения и 1 характеристика частоты. Рассмотрим ряд основных показателей более подробно.

Отклонение напряжения. Оказывает наибольшее влияние на работу потребителей. Нагрузки, уровни напряжения и другие параметры способны изменяться во времени. Исходя из этого, значение падения напряжения также является переменным. При этом, значительное снижение напряжения на промышленных предприятиях оказывает негативное воздействие на общую производительность труда, отрицательно сказывается на зрении рабочего персонала. Также, снижение напряжения оказывает влияние на продолжительность большинства технологических процессов в электротермической и электролизной установках. Помимо этого, несоответствие уровня напряжения необходимым значениям приводит к потере напряжения и мощности.

В сетях до 1 кВ допустимое отклонение напряжения ±5 %, максимальное ±10 %. В сетях 6-20 кВ принята величина максимального отклонения ±10 %.

Размах изменения напряжения. Этот параметр качества электроэнергии представляет собой разницу между амплитудным или действующим значением перед и после его изменения. Частота повторения данных изменений может быть от 2 раз/мин. до 1 раза/ч. Столь резкие изменения в трехфазной сети могут быть вызваны, к примеру, работой дуговой сталеплавильной печи либо сварочного аппарата. Нормирование колебаний напряжения основывается на необходимости защиты зрения людей. Для каждого вида ламп устанавливается свое отдельное значение размаха. Чтобы обеспечить соблюдение данного показателя качества рекомендуется применять отдельное питание для электроприемников сети освещения и силовых нагрузок.

Доза колебаний напряжения, которая является аналогом предыдущего показателя качества электрической энергии, они взаимозаменяемы. Нормирование дозы колебаний в электросетях проводится только при наличии в них определенных приборов.

Длительность провала напряжения. Провалом является резкое уменьшение напряжения, после чего оно обратно восстанавливается до своей изначальной, либо приближенной величины спустя определенный временной промежуток. Длительность провала отражает время от начального момента провала до момента его восстановления. Продолжительность провала может быть как в один период, так и в десятки секунд. Согласно ГОСТ этот параметр может достигать 30 секунд в сетях до 20 000 Вольт.

Импульсное напряжение схоже по описанию провалу, однако его продолжительность иная, и составляет от нескольких микросекунд до десяти миллисекунд. Допустимые значения данного показателя качества электроэнергии стандартом не нормируется.

Характеристиками напряжения также являются четыре коэффициента: гармонической составляющей, несинусоидальности кривой, нулевой и обратной последовательности.

Характеристикой частоты выступает отклонение. Наибольшее отклонение частоты возникает, если нагрузки изменяются медленным темпом, а резерв мощности невелик. Нормальная допустимая величина отклонения ± 0,2 Герц, максимальная ± 0,4 Герц. В послеаварийных режимах допустим интервал отклонения от + 0,5 до — 1 Герц (не более девяноста часов в году).

Дополнительные показатели качества электроэнергии являются формой записи основных. Сюда входят 3 следующих коэффициента, характеризующих напряжение: амплитудной модуляции, а также небаланса фазных и междуфазных напряжений.

Принцип работы анализатора качества электроэнергии

Прибор выполняет функцию проверки величин и уровень соответствия требованиям. Принцип его работы основан на измерителе электрических величин. Аппарат фиксирует значения тока и напряжения за короткие интервалы времени.

• постоянное отклонение напряжения;
• пиковые нагрузки и токи;
• природа переходных процессов в сети;
• фиксация времени с наибольшими потреблениями электрической энергии;
• искажения кривых тока;
• падения и провалы.

Анализаторы выпускаются в мобильной и стационарной форме. Они могут использоваться систематически или эпизодически, в зависимости от поставленной цели. Комплексная проверка корректности работы оборудования – это залог длительной и эффективной работы техники на предприятии. Своевременное выявление неполадок позволяет устранить неисправность до возникновения серьезных проблем.

Контроль за работой техники осуществляется с целью выявления дефектов в электрической сети и их устранения. Для выполнения задания требуется подсоединить анализатор к системе. Места контроля – это точки подключения к потребительской сети. При работе с простыми системами допускается подсоединение в местах, расположенных максимально близко к этим точкам.

Полученная информация обрабатывается с помощью математических алгоритмов. Это позволяет достигнуть ряда целей:

• рассчитать параметры работы;
• проанализировать качество электроэнергии;
• установить количество энергии.

Показатели измеряются на определенном отрезке времени. Низкое напряжение – это самая частая причина плохого качества энергии. Это значение анализируется дважды в год. Другие нормы определяются один раз в 12 месяцев.

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.

Несимметрия напряжений — несимметрия трёхфазной системы напряжений.

Причиной появления несимметрии являются как нормальные режимы работы оборудования, например при мощной однофазной нагрузке, так и в аварийные режимы, например, обрыв фазы.

В системах электроснабжения различают кратковременные и длительные несимметричные режимы. Кратковременные несимметричные режимы, обычно, связаны с аварийными процессами, а длительные несимметричные режимы могут быть вызваны как аварийными процессами, так и подключением мощных однофазных нагрузок.

Несимметрия напряжений и токов, вызванная подключением однофазных и многофазных приёмников называется поперечной. Такая несимметрия возникает также и при различных активных и реактивных сопротивлений отдельных фаз некоторых приёмников.

Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам.

Источниками несимметрии напряжений являются дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие одно­фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием составляющих обратной последовательности, а несимметрия фазных – ещё и наличием составляющих нулевой последовательности.

Для оценки несимметрии напряжения используется коэффициент несимметрии напряжения К_{нсм, U}, который определяется:

,                                                                                 (2.3)

Коэффициент несимметрии токов К_{нсм, I} определяется подобным образом:

                                                                                   (2.4)

Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85…90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K_0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Многофункциональные измерительные приборы

Современные многофункциональные приборы обеспечивают получение результатов не только в цифровом формате, но и в денежном эквиваленте. Модели отличаются рядом показателей:

• задачи;
• область применения;
• функционал.

Модели нового поколения ускоряют процесс получения значений по прогнозированию, фиксации, устранению и предотвращению возникновения новых проблем в работе системы. С помощью специальных аппаратов, специалисты определяют механические и электрические параметры.

Отсутствие контроля приводит к частым неполадкам, сбоям энергосистемы и чрезмерным расходам электричества. Общего показателя эффективности работы сети недостаточно для проведения глубинного анализа. Большие предприятия обращаются в сертифицированные службы для осуществления контроля над всеми компонентами рабочей зоны.

Важно анализировать нагрузки в динамике. Это позволит выявить уровень износа электросети и своевременно провести мероприятия по устранению потенциальных угроз

При выявлении вины поставщика, потребитель будет лишен необходимости брать на себя обязанность по решению проблем.

Спектральный состав токов вентильных агрегатов определяется числом фаз выпрямления. С увеличением числа фаз форма первичного тока преобразователя приближается к синусоидальной, а количество гармоник уменьшается.

2. Применение оборудования с улучшенными характеристиками:

  — «ненасыщающиеся» трансформаторы;

  — преобразователи с высокой пульсностью и т.д.

3. Подключение к мощной системе электроснабжения.

4. Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

5. Питание потребителей, не допускающих несинусоидальности напряжения от отдельных трансформаторов.

6. Снижение сопротивления питающего участка сети.

7. Применение фильтрокомпенсирующих устройств.

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генери­руемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство, которое не пропускает в сеть гармоники тока и питающее напряжение приближается к синусоиде.

Одновременно, фильтр является источником реактивной мощности и может служить в качестве одного из средств для компенсации реактивных нагрузок.

Существенным недостатком фильтрокомпенсирующих устройств является их высокая стоимость, а также их чувствительность к точной настройке. Поэтому применение этого метода борьбы с несинусоидальностью напряжения оправдывает себя только в случаях, когда кроме этой борьбы необходимо ещё и скомпенсировать реактивную мощность в пункте электроснабжения.

Вопросы для самопроверки.

1.         Перечислите показатели качества электроэнергии.

2.                      Укажите причины возникновения ухудшения качества электроэнергии.

3.                      Укажите основные влияния на электрооборудование при ухудшении различных показателей качества электроэнергии.

4.                      Сформулируйте основные методы борьбы с ухудшением качества электроэнергии.

Виды защиты от непредсказуемых изменений параметров сети

Приборы для защиты от перепадов напряжения

Энергопоставляющая компания должна заботиться о надлежащем качестве поставляемых услуг, которые соответствуют установленным нормативным документам. Но при этом каждый домовладелец в личном порядке может обезопасить свои бытовые приборы от скачков напряжения специальными видами оборудования:

• Источники бесперебойной электроэнергии способны поддерживать рабочее состояние некоторых видов бытовой техники в течение заданного времени. Например, подключение к компьютеру такого устройства позволяет корректно завершить его работу и сохранить все требуемые файлы.
• Оборудование, предназначенное для защиты от перепадов напряжения. Принцип действия подобен работе реле. Если один из параметров электрической цепи достигает критических отметок, помещение автоматически обесточивается.
• Стабилизатор напряжения контролирует, чтобы величина напряжения не выходила за пределы заданных параметров. Обеспечивает надлежащее качество электроэнергии, но при условии, что отклонения не превышают 35%.

https://youtube.com/watch?v=8Zt8B45-T9k

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.

Цели проверки

Полученные результаты позволяют добиться соблюдения заданных в договоре поставщика параметров. Анализ обеспечивает получение данных для составления развернутого отчета о работе системы. Экспертиза выявляет перечень отклонений или их отсутствие. Полученный документ дает основания, для предъявления поставщику обоснованных претензий о несоответствии качества энергии общепринятым нормам. В результате вторая сторона договора устранит все проблемы, и выявленные нарушения в оговоренный промежуток времени.

Измерения обеспечивают расчет коэффициента рациональности использования электричества. Благодаря этому производство выходит на технологичный уровень работы с минимальным расходом ресурсов. При необходимости, из электрической сети устраняются объекты, работающие неэффективно или во вред всей системе.

Проводить исследования стоит для реальных и запланированных систем энергоснабжения. Экспертизу приурочивают к энергетическому аудиту промышленного объекта. Итоги проверки, дают данные для повышения уровня энергетической эффективности в промышленной сфере.

Полученные значения сохраняются и используются при проведении следующего аудита. Специалисты сравнивают данные и делают соответствующие выводы о работе системы.

Что такое качество электроэнергии

Измеритель качества электроэнергии

Показатели качества для каждого типа электрической магистрали установлены по-разному. Фактические параметры должны полностью соответствовать установленным в нормативной документации. Именно эта особенность определяет качество предоставляемой услуги.

Изменения или преобразования ПКЭ возникают в результате утраты ресурса при транспортировке на большие расстояния, электромагнитных явлениях или аномальных увеличениях нагрузок на магистрали.

Чтобы оценить качество электричества, требуется провести замеры основных показателей. Детально изучить их можно в нормативных документах ГОСТа № 13109-97.