Нормы качества электрической энергии: параметры, факторы повышения и снижения качества

Качество электроэнергии, поставляемое в наши дома, не всегда является удовлетворительным. Мы часто говорим: «напряжение просело», «напряжение прыгает», «скачки напряжения», «плохое напряжение». Давайте разберемся вместе с этими понятиями. Следует отметить сразу, что точные определения отклонений от норм качества электроэнергии очень сложные. В рамках одной статьи невозможно дать полное описание требований к параметрам электричества и способам проведения официальных измерений. Тексты соответствующих ГОСТов и стандартов занимают десятки страниц и содержат многочисленные сложные формулы проведения расчётов. В данной статье мы дадим лишь общее понимание основных требований к качеству электроэнергии и простые описания часто встречающихся отклонений

Основные показатели качества электроэнергии

Список основных показателей качества электрической энергии:

• установившееся отклонение напряжения;
• размах изменения напряжения;
• доза фликера;
• коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
• коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;
• коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;
• коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;
• отклонение частоты;
• длительность провала напряжения;
• импульсное напряжение;
• коэффициент временного перенапряжения.

Отклонение напряжения

Одним из параметров качества электроэнергии является отклонение напряжения.

Отклонение напряжения определяется значением установившегося отклонения напряжения. Для значения отклонения напряжения установлены нижеследующие нормы: нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электроэнергии равны соответственно +5 и +10% от номинального напряжения электрической сети.

Значение отклонения напряжения определяется при длительности процесса более одной минуты. Нормально допустимым отклонением

напряжения считается диапазон в 5%, то есть: +/-5% (от 209 В до 231 В).
Предельно допустимым отклонением
напряжения считается диапазон в 10%, то есть: +/-10% (от 198 В до 242 В).

Для определенных выше показателей качества электроэнергии действуют следующие нормативы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю.

Обязательные требования

В соответствии с Федеральным законом №35 «Об электроэнергетике», субъекты электроэнергетики, обеспечивающие поставки электрической энергии потребителям электрической энергии, в том числе энергосбытовые организации, гарантирующие поставщики и территориальные сетевые организации (в пределах своей ответственности), отвечают перед потребителями электрической энергии за надежность обеспечения их электрической энергией и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями.
В соответствии с «Основными положениями функционирования розничных рынков электрической энергии (утверждены Постановлением Правительства РФ от 05.04.2012 № 442)»: субъекты электроэнергетики, обеспечивающие снабжение электрической энергией потребителей, в том числе гарантирующие поставщики, энергосбытовые (энергоснабжающие) организации, сетевые организации, системный оператор и субъекты оперативно-диспетчерского управления в технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах, а также производители электрической энергии (мощности), в ходе исполнения своих обязательств по заключаемым ими на оптовом рынке и розничных рынках договорам совместными действиями обеспечивают на розничных рынках надежность снабжения потребителей и качество электрической энергии. Требования к надежности энергоснабжения и качеству электрической энергии устанавливаются в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Данные положения определяют ответственность как субъектов электроэнергетики, обеспечивающих снабжение электрической энергией потребителей, так и потребителей, в форме обязательного включения в договоры купли-продажи (поставки) электрической энергии (мощности) существенных условий:

• требования к качеству поставляемой электрической энергии, которые должны соответствовать требованиям законодательства Российской Федерации;
• обязанность потребителя поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии, обусловленные работой его энергопринимающих устройств, в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации, соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителя, определяемые в соответствии с договором оказания услуг по передаче электрической энергии, заключенным гарантирующим поставщиком в интересах данного потребителя.

Колебание напряжения

Одним из параметров качества электроэнергии является колебание напряжения.

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

• размахом изменения напряжения;
• дозой фликера.

Значения колебания напряжения имеют те же самые нормы, что и отклонение напряжения с единственным отличием: длительность процесса менее одной минуты. Нормально допустимым колебанием

напряжения считается диапазон в 5%, то есть: +/-5% (от 209 В до 231 В).
Предельно допустимым колебанием
напряжения считается диапазон в 10%, то есть: +/-10% (от 198 В до 242 В).

Замечание:

не следует путать требования ГОСТа к качеству электроэнергии в сети (ГОСТ Р 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная») и ГОСТов, описывающих качество электропитания для электрических приборов (напр. ГОСТ Р 52161.2.17-2009 «Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов»). ГОСТ качества электроэнергии предъявляет требования по сути к поставщику электрической энергии, и именно на этот ГОСТ можно опереться, если нужно предъявить требования к поставщику при плохом электроснабжении. А требования к качеству электропитания в паспортах приборов определяют требование к приборам работать нормально в более широком диапазоне значений параметров тока. Для приборов, как правило, закладывается диапазон по напряжению от -15% до +10% от номинального.

Электромагнитной совместимостью электрооборудования

Под электромагнитной совместимостью электрооборудования и электрических сетей понимается способность потребителей электрической энергии нормально функционировать и не вносить в электрическую сеть недопустимых искажений, затрудняющих работу других потребителей.

Если говорить об электрической совместимости в самом широком смысле, то сюда следует отнести все материальные проявления и идеальные последствия, связанные с заряженными частицами и электромагнитными полями.

В более узком смысле под электромагнитной совместимостью понимают совокупность электрических, магнитных и электромагнитных полей, которые генерируют электрообъекты, созданные человеком, и которые воздействуют на мертвую (физическую) и живую (биологическую) природу, на техническую, информационную, социальную реальности.

Последняя, в частности, включает в себя биоэлектромагнитную совместимость, заключающуюся в появлении зон повышенной опасности по условиям электростатического и электромагнитного влияния.

Для технических устройств ухудшение электромагнитной обстановки может обостриться настолько, что возможно нарушение их функционирования, ухудшения качества электроэнергии, повреждения устройств релейной защиты и автоматики.

Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы каждого электроприемника. Поэтому, если он работает неудовлетворительно, а в каждом конкретном случае анализ качества потребляемой электроэнергии дает соответствие ГОСТ, то виновато качество изготовления или эксплуатации.

Если ПКЭ не соответствуют требованиям ГОСТа, то предъявляются претензии к поставщику — энергетическому предприятию.

В целом ПКЭ определяют степень искажения напряжения электрической сети за счет кондуктивных помех (распределяющихся по элементам электрической сети), вносимых как энергоснабжающей организацией, так и потребителями.

Провал напряжения

Одним из параметров качества электроэнергии является провал напряжения. Провал напряжения определяется показателем времени провала напряжения.

Предельно допустимое значение

длительности провала напряжения в электросетях напряжением до 20 000 В включительно равно 30 секунд. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и временем срабатывания автоматики.

Провал напряжения определяется, когда напряжение падает до значения 0,9U и характеризуется длительностью процесса. Предельно допустимая длительность — 30 секунд. Глубина провала иногда может доходить и до 100%.

Что влияет на характеристики питающей сети

На качество электроэнергии оказывает влияние довольно большой перечень факторов:

• регулярные перепады напряжения в результате подключения больших нагрузок;
• обледенение питающих магистралей;
• повышение влажности воздуха;
• качество электрических магистралей, окончание их эксплуатационного периода, выход их из строя;
• на морских станциях берутся во внимание приливы и отливы.

Если речь идет о ветровых станциях, на качестве электроэнергии может пагубно отразиться изменение направления и силы потоков ветра.

Как улучшить качество электроэнергии

В случае существенных отклонений параметров качества электроэнергии следует прежде всего обратиться в обслуживающую организацию, к поставщику электрической энергии. Если административные действия по улучшению качества электроэнергии не дадут результатов, тогда необходимо использовать специальные средства защиты. Для улучшения параметров качества электроэнергии мы рекомендуем использовать: средства защиты от скачков напряжения, стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания.

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.

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%.

Приобретать оборудование, предназначенное для защиты бытовой техники, рекомендуется в специализированных магазинах. К электротехническому прибору должна прилагаться сопроводительная документация и гарантийный талон.

Аннотация

Качество электроэнергии — это аспект электроэнергетики, известный нам с момента создания энергетических систем. Тем не менее, темы в области качества электроэнергии поднялись на первый план с момента появления мощных полупроводниковых ключей, сетей передачи. Кроме того, тенденции в современной энергетике состоят в том, чтобы извлечь максимальную выгоду из существующей установленной системы и это также акцентировало внимание на вопросы точности синусоидальной формы сигнала, отсутствие условий высокого и низкого напряжения и другое искажение формы волны переменного тока.

В этой статье описываются типы изменений качества электроэнергии и представлены методы, характеризующие каждый тип с измерениями. Кроме того, приведены достижения в области контроля качества электроэнергии и инструменты для анализа результатов измерения качества электроэнергии. Увеличение объема собираемых данных требует более совершенных инструментов анализа.

Причины отклонения частоты в электрических системах

Как известно из курса ТОЭ, в нормальном установившемся режиме суммарная мощность вырабатываемая всеми генераторами электрической системой должна быть точно ровна суммарной мощности всех электроприемников подключенной к системе в данный момент. В этом случае, скорость вращения генераторов системы (а все они вращаются синхронно), а следовательно, и частота

в электросистеме, должна оставаться постоянной и равной номинальной
−
50 Гц (в США, Японии и ряде других стран 60 Гц).

Всякое нарушение баланса между вырабатываемой и потребляемой мощностями вызывает изменение скорости вращения генераторов т. е. частоты в системе.

При аварийном отключении

одного (нескольких) генераторов или
подключении
мощных нагрузок в системе возникает дефицит активной мощности. Электрическая нагрузка (их отдаваемый ток) на оставшиеся в работе генераторы возрастает. При этом турбины этих генераторов начинают тормозиться, что приводит к
понижению
частоты в системе.

Автоматические регуляторы частоты (АРЧ) увеличивают подачу пара в турбины (или воды в гидротурбины) и их обороты (мощность) увеличиваются, соответственно увеличивается до номинальной и частота напряжения вырабатываемая исправными генераторами.

Такое поддержание частоты возможно только при наличии резерва активной мощности в генераторах, то есть, если генераторы до рассматриваемого момента были частично не догружены. Если же все резервы по мощности будут исчерпаны, системе не удается восстановить частоту.

При отключении

мощных нагрузок, с системе появляется избыточна генерируемая мощность, т. к. мощность вырабатываемая турбинами генераторов в первый момент остается неизменной, что приводит к
повышению
их оборотов и, соответственно, частоты в системе. При этом вступают в действие регуляторы скорости паровых турбин, которые несколько уменьшают подачу пара (в гидравлических турбинах – подачу воды) снижая тем самым вырабатываемую генератором мощность до достижения нового баланса мощности в системе.

Регуляторы скорости вращения паровых турбин работают достаточно быстро, поэтому сброс нагрузки проводит к незначительному возрастанию частоты и быстрому ее восстановлению до номинального значения. В гидравлических турбинах регуляторы действуют медленнее и у них скорость вращения (частота) может повыситься до 120 – 140 %.

19) Влияние отклонения частоты на работу электроприемников, требования нормативных документов к отклонениям частоты.

Влияние отклонения частоты на работу электроприемников и электросистемы

Незначительныеснижения частоты (на несколько десятых герца) не представляет серьезной проблемы для электросистемы, но такое понижение частоты не благоприятно отражается на работе потребителей. С понижением частоты снижается скорость вращения электродвигателей (особенно асинхронных) и, соответственно, производительность приводимых ими в движение механизмов.

На отдельных предприятиях отклонение частоты от номинальной может привести к нарушению технологии производства, снижение частоты на 3 – 5% нарушает работу радиооборудования и ряда автоматических устройств управления. При снижении частоты резко возрастает реактивная мощность трансформаторов и вращающихся машин, что снижает экономичность работы электрических сетей.

Крайне отрицательно влияет снижение частоты на работу тепловых электростанций. Так, например снижение частоты на 3 – 5 Гц влечет уменьшение на 20 – 40 % подачу воды в конденсатор циркуляционными насосами. Это ведет к уменьшению располагаемой мощности (мощности которую может генерировать) станции, что в свою очередь ведет к дальнейшему падению частоты в системе. Это опасное явление получило название «лавина частоты».

Требования нормативных документов к устройствам АЧР

Согласно ПУЭ [11] устройство автоматического ограничения снижения частоты должно исключить работу электросистемы при частотах ниже 45 Гц, время работы с частотой ниже 47 Гц не должно превышать 20 с, а с частотой ниже 48,5 Гц – 60 с.

ГОСТ по качеству электроэнергии [8] нормирует следующие отклонения частоты:

— нормально допустимые отклонения (в нормальном режимах работы)

± 0,2 Гц;

— максимально допустимые отклонения (в послеаварийном режимах)

± 0,4 Гц.

Принцип действия АЧР, категории и очереди АЧР

Принцип действия АЧР

Аварийное снижение частоты, вызванное внезапным значительным дефицитом активной мощности имеет быстротечный характер – несколько секунд. Поэтому парировать это снижение может только автоматика. Первоначально, автоматика задействует все резервы активной мощности в системе. Исправные генераторы системы берут на себя максимум нагрузки (с учетом допустимых кратковременных перегрузок).

Если после этих действий автоматики частота продолжает снижаться (что свидетельствует о не устраненном дефиците активной мощности) остается единственный способ уравнять величины генерируемой и потребляемой мощностей – отключить часть наименее ответственных электроприемников.

Такие отключения осуществляются специальными устройствами электроавтоматики – автоматами частотной разгрузки – АЧР.

Устройства АЧР, как правило, устанавливаются на подстанциях электросистемы, допускается их установка непосредственно у потребителей, но под контролем электросистемы [8].

ПУЭ [8] подразделяет устройства АЧР на две категории: АЧРI и АЧРII.

Первая категория – АЧРI

предназначена для не допущения глубокого снижения частоты в
первоначальный момент развития аварии
. Эти устройства выполняются быстродействующими (с выдержками времени
tАЧР
≤ 0,5 с) и уставками срабатывания по частоте от 47 – 48 Гц до 46 – 46,5 Гц. Для реализации АЧРI потребители отключаются небольшими группами, согласно очередности. Электроприемники первой очереди отключаются, например, при снижении частоты ниже 48 Гц. Если снижение частоты будет продолжаться отключаются электроприемники второй очереди с уставкой 47,5 Гц, далее – третьей, с уставкой 47 Гц. Минимальное отличие в уставках частоты ближайших очередей принимают равным 0,1 Гц. АЧРI оборудуется примерно 75 – 80% всей электрической нагрузки оснащаемой АЧР.

Вторая категория – АЧРII

предназначена для восстановления частоты в случае если она
длительно остается пониженной
, образно говоря «зависает» на уровне около 48 Гц. Уставки по частоте АЧРII принимают одинаковыми и на 0,5 Гц выше верхней уставки АЧРI. В отличии от АЧРI в работу АЧРII вводятся значительные выдержки времени в диапазоне 15 – 90 с отличающиеся друг от друга на 5 с. Такие относительно большие выдержки необходимы для подключения резервов мощности, в частности, запуска гидрогенераторов. Устройствами АЧРII оснащается примерно 20 – 25 % всей электрической нагрузки оснащаемой АЧР.

21) Эл.схема устройства АЧР на электромеханических

реле, работа схемы.

На рис. 7.1 приведена схема устройства АЧР на постоянном оперативном токе с использованием электромеханических или электронных реле.
Основным элементом схемы является реле частоты KF

(электромеханическое типа ИВЧ-3 индукционного принципа действия или электронное типа УРЧ-3М). Реле
KF
контролирует частоту первичной сети через измерительный трансформатор напряжения
TV
. При снижении частоты ниже уставки, реле
KF
замыкаетсвой контакт в цепи реле времени
KT
. Напряжение постоянного оперативного тока, вырабатываемое блоком питания
UGV
(например типа БПЗ-401), подается на обмотку реле времени
KT
(типа ЭВ-100 или ВЛ-68). Последнее, через заданную выдержку времени замкнет свой контакт
KT
в цепи обмоток указательного реле
KH
(типа РУ-21) и промежуточного реле
KL (
типа РП-23). Подробное описание названных реле приведено в лабораторной работе 1 и 2.

Промежуточное реле замыкает свои контакты KL1 и KL2,

посылая команды отключения на приводы выключателей
Q1
и
Q2.
Выключатели срабатывают, отключая присоединенные через них электроприемники. Замкнувшиеся контакты
KL3
формируют команду на запрет АПВ. Срабатывание указательного реле
KH
сигнализирует обслуживающему персоналу о фактесрабатывания устройства АЧР.

Причины перепадов напряжения в частном секторе

Если потребитель живет в собственном доме, то самыми распространенными причинами ухудшения качества напряжения являются: повреждение линии электропередач, короткое замыкание на землю, отгорание нулевого проводника в трансформаторной подстанции (ТП) и молния.

Очень часто бывает так, что напряжение в сети намного ниже 230 В и лампочки очень тускло горят. Одна из причин, это падение напряжения по линии. Чем больше на линии подключено домов и тем самым нагрузки, тем меньше напряжение будет в отдаленных от ТП домов.

К примеру, в начале улицы стоит трансформаторная подстанция. В первых домах от ТП напряжение может быть 235 В, а в последних 195 В, что по правилам допустимо. Чтобы хоть как то уменьшить нагрузку на линию, энергетики разгружают ее путем распределение нагрузки между соседними фазами или увеличивают сечение ЛЭП (линии электропередачи). Но могут и увеличить выходное напряжение из ТП, к примеру до 240 В. Это так же плохо для первых домов, но в пределах нормы.