Как определить качество электроэнергии — нормы и параметры оценки

Введение

В этой статье мы проанализировали некоторые контрольные точки в распределительной сети города Тиват в Республике Черногория. Здесь также представлены результаты анализа данных точек. Для начала, мы можем посмотреть результаты для контрольной точки под названием высоковольтная линия «Лепетан» 10 кВ. Процесс измерения охватывал вторичные токи и напряжения измерительных трансформаторов тока и напряжения, эти значения записывались и анализировались. Результаты измерений были обработаны и представлены в MS Excel.

В данном случае использовалось следующее измерительное оборудование: ручной анализатор «FLUKE 430» и устройство для непрерывной записи измерительных данных «Анализатор качества электроэнергии MI 2192». После проведения измерений, когда благодаря им проблема была подтверждена, водопроводно-канализационной организации пришлось принять меры, так как именно она является главным виновником того, что результаты не соответствуют требованиям.

Полученные результаты измерений иногда превышали предел предусмотренный стандартами (EN 50160). Превышение возникало, когда запускали насосы. Фактические данные легли в основу разработки имитационной модели. Полученную модель использовали для разработки фильтра для подавления паразитных гармоник в электрических сетях. Представлены результаты применения фильтра. К счастью, водопроводно-канализационная организация установила у себя пассивный фильтр для компенсации соответствующих гармоник.

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.

Медленные изменения напряжения

Медленными называют изменения, длительность которых происходят на время, более 1 минуты. Это как раз вписывается в концепцию включенного чайника. Закипел, отключился – возмущение прекратилось, свет снова горит ярко. Знакомая картина?

При измерениях определяется количество времени, в которое напряжение было выше или ниже 10% от стандартного номинального. Для бытовых сетей это 220 или 380 В. Данные усредняются с дискретностью в 10 минут, а измерения производят в течение недели.

Колебания напряжения

Этот параметр тоже характеризует изменения величины напряжения, но только те, которые происходят за интервал менее 1 минуты.

Для оценки качества напряжения по этому параметру используют понятие фликера. Физический смысл в его в том, что он характеризует зрительные ощущения человека от восприятия мерцания источника света.

Различают кратковременную (измеренную в интервале времени 10 минут) и длительную (в интервале 2 часов) дозу фликера. Их величины, наблюдаемые в интервале в 1 неделю, не должны быть соответственно больше 1,38 и 1,0. Расчет ведется по довольно сложным формулам.

Что происходит с потребителями при отклонении нормальных режимов питания?

Параметры качества электроэнергии влияют на длительность работы подключаемых устройств, часто это становится критично на производствах. Падает производительность линий, увеличивается расход энергии. Так на валу двигателей снижается вращающий момент при падении значений показателей питающей сети. Укорачивается срок службы ламп освещения, световой поток ламп становится меньше либо мерцает, что сказывается на выпускаемой продукции в теплицах. Существенное влияние оказывается на процессы других биохимических реакций.

Согласно законам физики снижение напряжения при неизменной нагрузке на валу двигателя приводит к стремительному росту тока. Это, в свою очередь, приводит к сбоям в работе защитных выключателей. В результате плавится изоляция, в лучшем случае горят плавкие предохранители, в худшем безвозвратно портятся обмотки двигателей, элементы электроники. При аналогичных обстоятельствах электросчетчик начинает вращаться с большей скоростью. Хозяин помещения терпит убытки.

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.

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.

Сроки проверки электросчетчика

Периодичность поверки зависит от типа электросчетчика и рекомендаций в паспорте прибора. Она составляет от 6 лет для дисковых до 16 лет для электронных счетчиков. Собственно проверка может быть произведена в течение недели, если счётчик будут снимать, и одного дня, если она будет сделана на месте.

Потребитель после завершения процедуры получает акт проверки электросчетчика, и подаёт его в территориальный Энергосбыт, где ему даётся допуск на эксплуатацию. Современные электросчетчики имеют весьма большую точность, и с ними меньше проблем. Однако остались ещё приборы с классом точности 2,5 – это максимально допустимая погрешность. Они в ходе поверки должны быть заменены, поскольку уже не соответствуют современным требованиям.

Разработка системы управления качеством электроэнергии с функциями диагностики качества электроэнергии

В последнее время развитие ИТ-технологий привело к распространению систем мониторинга качества электроэнергии, соединённых друг с другом по сети и обменивающихся данными, поскольку такие сети обеспечивают потребителям подробную информацию в отношении качества электроэнергии. Такие системы могут выдавать аварийные сигналы и показывать информацию о событиях качества электроэнергии. Однако при наступлении события качества электроэнергии потребителям трудно определить его причины и принять решение, потому что эти системы не обеспечивают возможность диагностики качества электроэнергии. Задачей системы управления качеством электроэнергии является предоставление потребителям различных функций диагностики качества электроэнергии, которые могли бы помочь принять необходимые меры в необходимом месте.

В последнее время качество электроэнергии стало серьёзной проблемой, как для поставщиков электроэнергии, так и для потребителей. Раньше от поставщиков требовалось только обеспечение электрической энергией без отключений. Но теперь потребители начали предъявлять более высокие требования к качеству электроэнергии, что связано с серьёзными изменениями в системах энергоснабжения, которые существенно затрагивают этот аспект. Во-первых, получили широкое распространение изделия силовой электроники. Так как эти устройства имеют нелинейную зависимость между напряжением и током, они ухудшают качество электроэнергии. Во-вторых, электрические нагрузки стали более требовательными к качеству питания. Например, известны своей чувствительностью к качеству электроэнергии высокотехнологичные ИТ-устройства, регулируемые приводы, оборудование для управления технологическими процессами и компьютеры. Даже незначительные «события качества электроэнергии» могут привести к их повреждению, сбоям в работе или выходу из строя аппаратной части.

Наконец, децентрализация рынка электроэнергии вносит значительные изменения во всю систему энергоснабжения. В традиционной системе энергоснабжения цены и условия обслуживания единообразны по причине монопольности поставщика. В децентрализованной энергосистеме монополия поставщика будет разделена на многие компании, такие как генерирующие компании, сетевые операторы, продавцы электроэнергии и энергосервисные компании. Каждая из этих компаний должна нести ответственность за ухудшение качества электроэнергии для других или поддерживать качество электроэнергии согласно контрактам. Поэтому при возникновении того или иного события качества электроэнергии могут возникать затруднения с определением его причин и поиском ответственного. В результате становится всё более и более важным точное измерение уровня качества электроэнергии и определение причин его ухудшения. Поэтому устройства точного мониторинга качества электроэнергии имеют хорошие перспективы.

В последнее время развитие ИТ-технологий привело к тому, что нормой стали системы мониторинга качества электроэнергии, соединённые друг с другом по сети и обменивающиеся данными, поскольку такая сеть дает потребителям доступ к подробной информации по качеству электроэнергии. Во многих случаях с целью локального управления качеством электроэнергии данные анализа нескольких систем мониторинга собираются через сетевое соединение на графическом интерфейсе пользователя (GUI). Системы GUI могут выдавать сигналы оповещения и показывать информацию о событиях качества электроэнергии в удобной для потребителей форме.

Однако при наступлении события качества электроэнергии потребителям трудно определить его причины и принять решение, т.к. рассматриваемые системы не обеспечивают диагностику качества электроэнергии. Была разработана система управления качеством электроэнергии с целью дать потребителям различные функции диагностики качества электроэнергии, которые могут помочь принять необходимые меры в необходимом месте.

Далее представлена подробная структура и функции системы управления качеством электроэнергии, которая состоит из системы мониторинга качества электроэнергии (СМКЭ), системы GUI и системы диагностики качества электроэнергии (СДКЭ). Также приведены некоторые результаты практического применения функций диагностики электроэнергии.

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.

Нормы напряжения в электросети по ГОСТу

В нормативном документе определено несколько показателей, позволяющих характеризовать качество электроэнергии в точках присоединения (ввод в сети потребителей). Перечислим наиболее значимые параметры и приведем допустимые диапазоны отклонений для каждого из них:

• Для установившегося отклонения напряжения не более 5,0% от номинала (допустимая норма) при длительном временном промежутке и до 10% для краткосрочной аномалии (предельно допустимая норма). Заметим, что данные показатели должны быть прописаны в договоре о предоставлении услуг, при этом указанные нормы должны отвечать действующим нормам. Например, для бытовых сетей (220 В) быть в пределах 198,0-220,0 В, а для трехфазных (0,40 кВ) – не менее 360,0 В и не более 440 Вольт.
• Перепады напряжения, такие отклонения характеризуются амплитудой, длительностью и частотой интервалов. Нормально допустимый размах амплитуды не должен превышать 10,0% от нормы. К перепадам также относят дозу фликера (мерцание света в следствии перепадов напряжения, вызывают усталость), это параметр измеряется специальным прибором (фликометром). Допустимая краткосрочная доза – 1,38, длительная – 1.

  Пример устоявшегося отклонения и колебания напряжения

• Броски и провалы. К первым относятся краткосрочные увеличения амплитуды напряжения, превышающие 1,10 номинала. Под вторым явлением подразумевается уменьшение амплитуды на величину более 0,9 от нормы, с последующим возвращением к нормальным параметрам. Ввиду особенностей природы процессов данные отклонения не нормируются. При частом проявлении рекомендуется установить ограничитель напряжения (для защиты от бросков) и ИБП (при частых провалах).
• Перенапряжение электрической сети, под данным определением подразумевается превышение номинала на величину более 10% длящееся свыше 10-ти миллисекунд.

  Примеры перенапряжения и провала (А), бросков (В)

• Несимметрия напряжения. Допустимое отклонение коэффициента несимметрии от нормы – 2,0%, предельное – 4,0%.
• Несинусоидальность напряжения. Определяется путем расчета коэффициента искажения, после чего полученное значение сравнивают с нормативными значениями.

  Пример нарушения синусоидальности напряжения

• Отклонения частоты. Согласно действующим требованиям нормально допустимое отклонение этого параметра 0,20 Гц, предельно допустимое – 0,40 Гц.

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.

Из чего сделана электроэнергия?

• Генератор (источник) электроэнергии,
• Линия электропередачи,
• Нагрузка.

Нас, конечно же, интересует питание нагрузки. Итак, посмотрим, что мы можем измерить и посмотреть реально в питающей сети:

Напряжение

Это – самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы. Будем рассматривать трехфазную систему, не смотря на то, что в быту мы привыкли к одной фазе.

Старый ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” гласил, что действующее (или среднеквадратическое, что для синуса одинаково) фазное напряжение в питающей сети должно составлять 220 ±10% = 198…242 В. Однако, новый ГОСТ 29322-2014 “Напряжения стандартные” “повысил” напряжение до 230 В ±10 % = 207…253 В.

При этом разрешено действие напряжения и 220, и 230 В (ГОСТ 29322-2014, Табл.1, Прим. а). Линейные напряжения (между фазами) будут соответственно 380 и 400 В.

Что реально происходит в электросети, видно на экране анализатора качества электроэнергии Hioki 3197:

Линейные напряжения в трехфазной сети

Напряжение колеблется около среднего уровня 395 В с отклонением 2..3 В за период измерения около 12 минут. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, где-то примерно каждые пол минуты на 5-10 секунд включается мощная трехфазная нагрузка. Что бы это могло быть?

Это линейные напряжения, фазные в солидных сетях не измеряются. Но если это нужно, можно легко перевести фазное в линейное напряжение и обратно, используя формулу:

Формула линейного напряжения, зависимость от фазного

Для понимания – Uл = 380 В, Uф = 220 В, а формула “наоборот” будет выглядеть так:

Формула зависимости фазного напряжения от линейного

График, приведенный выше, может записываться в память прибора и длиться до нескольких дней. Таким образом можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор, либо вообще его не ставить.

Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все “артефакты” на напряжении. Например, скачки напряжения, провалы, пусковые токи, и т.д

Пороги событий устанавливаются в настройках.

Пример экрана, на котором отображены события:

События и деталировка на экране анализатора качества

Ток

Когда-то в детстве отец мне купил мой первый тестер – ТЛ-4М, за 40 рублей. Я мерил всё подряд, пока мою голову не посетила “гениальная” идея – измерить ток в розетке. Включил максимальный предел – 3 А, и…

В итоге – выбило пробки, в тестере сгорел шунт, а я понял – что ток измеряется всегда только ЧЕРЕЗ нагрузку. С тех пор средства измерения тока сильно шагнули вперед, и для этого используются только токовые клещи (трансформаторный метод), шунты практически не применяются.

Ток, точнее, его значение, форма и составляющие, значительно зависит от нагрузки. Например, вот как выглядит форма напряжения и тока при работе диммера:

Напряжение в сети и ток ЧЕРЕЗ диммер

Естественно, присутствуют гармоники тока и напряжения, которыми определяется форма.

Гармоники напряжения и тока

Гармоники напряжения и тока можно увидеть в графическом виде, как на скрине выше, так и в виде таблицы – с 1-й до 50-й гармоники. И для однофазной, и для трехфазной сети.

Например, вот такая табличка:

Список гармоник тока и напряжения

Частота

Все знают, что частота питающего напряжения у нас в розетке равна 50 Гц. Это означает, что 50 раз в секунду всё повторяется. Иначе говоря, длительность периода напряжения равна 20 мс.

Вас когда-нибудь било током? Помните, как трясло тело? Вот – это те самые 50 Гц. Хотя, по моим ощущениям, трясёт с частотой 10-20 Гц. Б-р-р.

Если точнее, то согласно ГОСТ 29322-2014 частота напряжения должна быть 50 ±0,2 Гц. То есть, от 49,8 до 50,2 Гц.

Пожалуй, частота – единственный параметр, на который ничего не влияет. И её стабильность зависит только от работы электростанции.

Вот как график частоты выглядит на экране анализатора качества электроэнергии:

Hioki 3197 – Частота питающей сети

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

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.

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется двумя показателями:

• коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
• коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

Данные показатели определяются как значения, усредненные на интервале 3 с.

Рис. 8.18. Допустимые размахи колебаний напряжения

Коэффициент искажения синусоидальности определяют по формуле, %:

Значения гармоник нормируются до n = 40. Допустимые значения KU приведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности

Таблица 8.5

Нормально допустимые значения коэффициентов гармонических составляющих

Нормально допускаемые значения, приведенные в табл. 8.5 для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным злектрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими, чем приведенные в таблице.

Предельно допускаемые значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения принимают в 1,5 раза выше нормально допускаемых значений.