Что такое качество электроэнергии?
Качество электрической энергии (Качество ЭЭ) – комплексное свойство. Оно характеризует электромагнитную среду и возможности технологического процесса по производству, передаче, распределению и использованию электрической энергии потребителями.
Устройства улучшения качества электрической энергии СВЭЛ – эффективное решение для повышения надежности систем электроснабжения, повышения стабильности и снижения затрат.
Качество электроэнергии отвечает за надежность: режим электроснабжения потребителей считается нормальным, если электроэнергия доходит до потребителей бесперебойно, и в том в количестве, которое было заранее согласовано с энергоснабжающей организацией.
Качество электроэнергии еще называют «электромагнитной совместимостью» (способностью электроустановки нормально функционировать в ее электромагнитной среде, не создавая электромагнитных помех другим электроприборам, функционирующим в данной сети).
Качество электроэнергии определяется степенью соответствия эксплуатационным параметрам электроэнергии и установленным значениям заявленных показателей. К таким единичным свойствам относятся:
- Напряжение.
- установившееся отклонение напряжения;
- размах изменения напряжения;
- доза фликера;
- длительность провала напряжения;
- импульсное напряжение;
- коэффициент временного перенапряжения.
- Синусоидность напряжения.
- коэффициент искажения синусоидности кривой напряжения;
- коэффициент гармонической составляющей напряжения.
- Частота напряжения (количество колебаний за единицу времени).
- Симметричный режим трехфазной системы.
- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;
- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
- Форма кривой тока и напряжения.
- в физических единицах (вольты, герцы);
- в условных единицах измерения (проценты отклонения от стандарта);
- в безразмерных единицах (предполагаемые показатели).
Состоит их следующих показателей:
Состоит их следующих показателей:
Показатели качества электроэнергии выражаются:
Вред и ущерб для оборудования от ухудшения качества электроэнергии
Использование некоторых мощных электротехнических установок (вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки) независимо от их экономичности и технологической эффективности приводит к ухудшению качества электроэнергии. Возникает проблема электромагнитной совместимости электроприемников промышленного типа с питающей сетью.
Зависимость отклонения напряжения обусловлена уровнем напряжения, подаваемым энергосистемой промышленным предприятиям, а так же работой отдельных промышленных электроприборов с большим потреблением реактивной мощности. По этим причинам вопросы качества электроэнергии важно рассматривать через решение вопросов компенсации реактивной мощности.
Несоответствие показателей качества электроэнергии приводит к ущербу:
- вреду материалам и оборудованию;
- нарушению последовательности технологических процессов;
- снижению показателей качества выпускаемой продукции;
- спаду продуктивности и производительности;
- росту потерь электроэнергии;
- повреждению электротехнического оборудования;
- сбою процессов работы в автоматике, телемеханике, связи, электронной технике и т.д.
К основным негативным проблемам в системах электроснабжения относятся:
- Нестабильность напряжения.
- Реактивная мощность.
- Перетоки мощности.
- Гармонические искажения.
- Падение напряжения (или провал).
- Кратковременные перебои.
- Долговременные перебои.
- Импульсные всплески.
- Перенапряжение.
- Гармонические искажения.
- Колебание напряжения.
- Шумы.
- Дисбаланс напряжения.
Нестабильность напряжения
Выражается резкими перепадами сетевого напряжения за доли секунд, выходящими за границы допустимых отклонений (в нескольких тысяч вольт). Действующие нормы гласят: допустимые отклонения напряжения не должны превышать показатели номинала.
Импульсные перенапряжения оказывают сильное влияние:
- на работу и срок службы электроприборов;
- на состояние изоляции электропроводки;
- на безопасность людей и сохранность имущества.
Виды и причины импульсных перенапряжений:
- воздействие внешних факторов (например, грозовые разряды);
- коммутационные перенапряжения, происходящие по причине включения или отключения мощных установок.
Любые перепады напряжения в питающей электрической сети значительно сокращают срок службы подключенного оборудования, приводят к непредвиденным расходам и выводят из строя важное дорогостоящее оборудование.
Незначительные постоянные перепады в 5-10% отклонения от нормы, несут за собой микросбои в управляющих блоках оборудования, приводят к браку продукции и остановкам в работе. Они недопустимы в работе установок, для которых важны точность и стабильность (медицинское или лабораторное оборудование, производственное оборудование с программным управлением, управляющие микросхемы и микропроцессоры).
Скачки напряжения в 10-25% отклонения от нормы снижают срок службы электроприборов в среднем в 2 раза. Стабильное электропитание обеспечивает десятки лет службы оборудования, а несколько вышеупомянутых скачков сокращает работу до гарантийного срока.
Перепады напряжения однофазной сети до 300В часто приводят к поломке отдельных электрокомпонентов (блоки питания, электродвигатели, приводы, световое оборудование, сенсорные и управляющие панели).
Понижение напряжения за границы допустимых значений тоже опасно: это приводит к потере несохранённых данных, нарушению работы производственного оборудования, поломкам и сбоям.
На данный момент электросети не рассчитаны на активный рост потребителей. Перепады напряжения однофазных сетей до 380В приводят к авариям, разрушению ЛЭП по причине перегревов и коротких замыканий в щитах и магистралях, к полному выходу из строя электроприборов и даже к их возгоранию.
Причины падения напряжения:
- Состояние трансформаторных подстанций и линий электропередач. Подавляющее большинство трансформаторных подстанций и линий электропередач было установлено во времена СССР, когда был совершенно иной расчет нагрузки, другая аппаратура. Показатели диаметра жил и материалов кабеля (алюминий) часто не выдерживают выросшее потребление электроэнергии.
- Разница потребляемой мощности на фазах. В системе электропитания есть три фазы. Когда возникает превышение по нагрузке на одной фазе, то появляется перекос фаз, ведущий к повышению или понижению напряжения.
Низкое напряжение в сети приводит:
- серьезному ухудшению условий запуска всех типов двигателей и устройств на базе двигателя;
- увеличению пускового тока при запуске электродвигателей;
- перегреву проводки, оплавлению изоляции, риску возгорания от короткого замыкания;
- нестабильной работе и поломке электроприборов, уменьшению срока их службы.
Рис. 1. Состояние трансформаторных подстанций влияет на напряжение
Реактивная мощность
Это величина, определяемая электромагнитными полями, возникающими во время работы электроприборов.
Нарушение баланса реактивной мощности ведет за собой изменения в уровне напряжения электросети. Если рост показателей генерируемой реактивной мощности (вырабатывается генерaторaми электростанций и компенсирующими устройствами) превышает показатели потребляемой, то происходит повышение напряжения в сети. Недостаток реактивной мощности приводит к понижению напряжения в сети.
Реактивная мощность активно влияет на режимы напряжения. Показатели потерь, обусловленные передачей реактивной мощности, составляют 1/3 общих потерь напряжения в сетях 6 –10 кВ и 2/3 в сетях с высоким напряжением.
Активное использование реактивной мощности дает:
- увеличение тока и последующие дополнительные потери в проводниках,
- выход напряжения сети за границы номинальных значений,
- увеличение нагрузки на кабельные сети и трансформаторы,
- уменьшение пропускной способности систем электроснабжения и трансформаторов,
- умножение сечений проводов и кабельных линий,
- рост номинальных мощностей или количества трансформаторов на подстанциях.
Рис. 2. Комплектные трансформаторные подстанции СВЭЛ
Перекомпенсaция реактивной мощности несет в себе риски, т. к. повышение сетевого напряжения приводит к коротким замыканиям, выходу электроприборов из строя, возникновению пожара.
Перетоки мощности
Активные потери электроэнергии в электрических сетях вызывают и перетоки мощности. Так как значительная часть электроприемников промышленных предприятий, наряду с активной мощностью, потребляет также и реактивную, то показатели перетоков мощности весьма существенны.
Причины их появления:
- неправильное подключение оборудования;
- нестабильность в напряжении и частоте электросети;
- изношенность оборудования;
- нарушение баланса мощности, неравномерное распределение в сети;
- воздействие внешних факторов, таких как грозовые разряды, могут вызвать перетоки мощности;
- несоответствие нагрузки и ее параметров;
- нарушение правил эксплуатации.
Негативные последствия перетоков мощности:
- повреждение оборудования – избыток энергии может привести к перегрузке и перегреву;
- нарушение работы и сбой системы из-за нестабильности в напряжении и частоте электросети;
- пожары – перегрузки и перетоки мощности могут вызвать возгорание электрических проводов и оборудования;
- потери энергии, снижающие эффективность работы системы;
- неэффективное использование ресурсов;
- снижение пропускной способности электросетей.
Для снижения перетоков мощности и сокращения отрицательных последствий промышленные предприятия прибегают к использованию компенсирующего оборудования.
Гармонические искажения
Это изменения формы синусоидального сигнала, вызванные наличием дополнительных частотных компонент в сигнале.
Причины гармонических искажений:
- Нелинейность оборудования: (статические преобразователи частоты, сварочные аппараты, трансформаторы, силовое электрооборудование, выпрямительные установки, дуговые сталеплавильные печи, индукционные печи, частотно-регулируемые электроприводы, циклоконверторы и мн.др.).
- Несимметричность сигнала относительно нулевой линии.
- Резонансные явления (емкость электрической сети, индуктивность и сопротивление).
- Неустойчивость напряжения.
- Некачественное оборудование.
- Неправильное подключение оборудования.
Негативные последствия гармонических искажений:
- Перегрев электрооборудования и кабелей.
- Снижение эффективности работы оборудования, что может привести к ухудшению качества продукции и увеличению затрат на энергию.
- Ускоренное повреждение оборудования по причине износа изоляции обмоток и сердечника чрезмерным нагревом токами высших гармоник.
- Перенапряжение электросети нейтральной перегрузки трехфазных систем – выход из строя или необходимость модернизации.
- Уменьшение пропускной способности ЛЭП.
- Воздействие на другие устройства, например, вывод из строя или компьютерной техники, приводов двигателей, осветительных устройств и прочего незащищенного оборудования.
- Увеличение тока в конденсаторах по причине содержания высших гармоник трехфазной сети (реактивное сопротивление конденсаторов с ростом частоты снижается).
- Электромагнитные помехи с системами связи.
- Ошибки в измерениях при использовании счётчиков усреднённых значений.
- Гармонические искажения могут влиять на здоровье людей, вызывая головные боли, усталость и другие отрицательные последствия.
Способ подавления гармонических возмущений в силовых сетях – специализированное оборудование, фильтры и программы.
Рис. 3. Гармонические искажения однофазной сети
Контроль качества электроэнергии
Контроль качества энергии (ККЭ) помогают анализаторы качества электроэнергии и устройства, способные уменьшить или устранить искажения в электрической сети.
Для контроля качества ЭЭ применяются стандарты и нормативы, устанавливающие допустимые уровни гармонических искажений и других параметров электрической энергии.
К основным задачам контроля качества электроэнергии относятся:
- Определение уровня гармонических искажений.
- Измерение показателей тока напряжения.
- Оценка мощности и энергии.
- Определение коэффициента и фактора мощности.
- Обнаружение перегрузок и перенапряжений в сети.
- Оценка эффективности работы подключенного оборудования.
- Оценка соответствия нормативным требованиям параметров электроэнергии.
- Поиск причин возникновения проблем с качеством ЭЭ и разработка способов их устранения.
- Улучшение качества энергии путем использования фильтров гармонических искажений и иных устройств.
- Проверка по исполнению требований стандартов в части эксплуатационного контроля показателей электроэнергии.
Приборы и методы контроля качества электроэнергии
- Анализаторы качества – устройства для измерения и анализа параметров электрической энергии.
- Мультиметры – приборы для измерения напряжения, тока и сопротивления.
- Тестеры – устройства, используемые для проверки электрических цепей на наличие проблем, таких как обрывы, короткие замыкания и других неисправностей.
- Осциллографы – приборы, позволяющие визуально отобразить перемены напряжения и тока во времени.
- Термометры – устройства, используемые для измерения температуры оборудования.
- Измерители мощности – приборы, предназначенные для замеров мощности и энергии в сети.
- Фильтры гармонических искажений – устройства, используемые для устранения гармонических искажений в электрической сети.
Рис. 4. Мультиметр – прибор, который измеряет напряжение, ток и сопротивление
Приборы, устанавливаемые на щитах управления или в распределительном устройстве:
- Амперметры – устройства для непрерывного контроля величины тока на вводах распределительных подстанций, отходящих линий, перемычках между секциями сборных шин. Если нагрузка равномерная производится установка одного амперметра. Если же нагрузка неравномерная или необходим контроль над каждой фазой (конденсаторные батареи, электрические печи) производится установка по три амперметра.
- Вольтметры и частотомеры – устройства, которые предназначены для контроля КЭЭ, выявления показателей междуфазного напряжения (сети с заземленной нейтралью до 1000В) и контроля изоляции (сети с изолированной нейтралью). Вольтметры устанавливаются на сторонах выключателей нагрузки трансформаторных подстанций, а том числе на каждой секции шин всех напряжений.
- Счетчики активной и реактивной электроэнергии – аппараты по расчетному и техническому учету в местах выработки и потребления электрической энергии.
Методы контроля качества электроэнергии:
- Измерение напряжения, мощности и тока.
- Анализ гармонических искажений.
- Измерение температуры оборудования.
- Визуальный анализ перемены тока и напряжения во времени.
- Проверка электрических цепей на наличие неисправностей, таких как обрыв, короткие замыкания и др.
- Мониторинг параметров электрической сети.
- Анализ данных о потреблении электроэнергии для оптимизации пользования ресурсами и снижения затрат на электроэнергию.
- Контроль над распределением нагрузок, величиной их составляющих активного и реактивного аспекта, параметрами сети.
- Учет выработки и обработки электроэнергии.
- Определение уровня потери энергии в сетях.
- Регистрация некоторых электрических величин при нормальном и аварийном режиме работы и мн.др.
Стандарты качества электроэнергии
Стандарты, определяющие качества энергии, утверждают перечень требований к параметрам и характеристикам электрической энергии, которые необходимо обеспечивать системам электроснабжения. Эти стандарты определяют допустимые уровни напряжения, частоты, гармонических искажений, перенапряжений и других параметров, которые влияют на деятельность электротехнического оборудования и обеспечивают безопасность людей и имущества. Стандарты также устанавливают виды методов по измерению и оценке параметров качества электрической энергии и требований к компетентности испытательных лабораторий, проводящих такие измерения.
Международные стандарты:
- IEEE 519-2014 – Стандарт IEEE для гармонических искажений в системах электропитания.
- IEC 61000-2-4 – Стандарт Международной электротехнической комиссии для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.
- EN 50160 – Стандарт Европейского союза для качества электрической энергии в системах электроснабжения.
- ANSI C84.1 – Стандарт Американского национального института стандартов для напряжения и частоты в системах электроснабжения.
- AS/NZS 61000.4.7 – Стандарт Австралийского и Новозеландского института электротехники и электроники для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.
Стандарты качества электроэнергии по ГОСТ:
- ГОСТ Р 51317.4.30-99 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для качества электрической энергии в системах электроснабжения.
- ГОСТ Р 54149-2010 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для гармонических искажений в системах электропитания.
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2009 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для оценки компетентности испытательных лабораторий по измерению параметров качества электрической энергии.
- ГОСТ Р 52343-2005 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.
- ГОСТ Р 50571.1-2010 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для регулирования напряжения в системах электроснабжения.
Декларирование целей по качеству ЭЭ поставщиками обеспечивает:
- Надежное и безопасное функционирование электротехнического оборудования.
- Предотвращение выхода оборудования из строя по причине неисправностей и ситуаций аварийности.
- Улучшение качества жизни потребителей путем поставки стабильного и качественного снабжения электроэнергией.
- Сокращение расходов электроэнергии во время процессов ее передачи и распределения.
- Соответствие установленному перечню требований законодательства и стандартов в области качества энергии.
- Повышение уровня конкурентоспособности на рынке электроэнергии.
- Снижение негативного воздействия для окружающей среды путем снижения выбросов и загрязнения.
Оборудование для повышения качества электроэнергии (УУКЭЭ)
- Регулирующие трансформаторы с целью поддержки стабильного напряжения в сети.
- Фильтры, которые удаляют помехи и шумы электросети.
- Компенсационные устройства для восполнения реактивной мощности и улучшения коэффициента мощности.
- Системы авторегулирования напряжения с целью поддержки стабильного напряжения на выходе из трансформаторов.
- Системы по контролю и управлению качеством электрической энергии с функцией мониторинга параметров сети и возможностью оперативной реакции на проблемные процессы.
- Устройства защиты от перенапряжений и перегрузок, которые предотвращают ущерб оборудования и аварийные ситуации.
- Электронные регуляторы скорости и частоты вращения электродвигателей, которые позволяют снизить использование электроэнергии и сделать показатели нагрузки на сеть ниже.
- Устройства снижения гармонических искажений, которые уменьшают влияние нелинейных нагрузок на КЭ.
- Системы резервного питания, которые обеспечивают непрерывность работы при отключении основного источника электропитания.
- Системы распределения электрической энергии с применением интеллектуальных технологий, которые позволяют оптимизировать расходы энергии и уменьшить траты на ее формирование.
- Системы хранения электроэнергии (аккумуляторы и суперконденсаторы, используемые для балансирования нагрузки и понижения пиковых нагрузок на сеть).
- Устройства мониторинга и управления энергопотреблением, которые позволяют оптимизировать расходование энергии и снизить затраты на ее производство.
- Устройства обратной связи, которые позволяют операторам сети получать информацию о потреблении энергии и оптимизировать работу системы в режиме реального времени.
- Системы автоуправления нагрузкой, которые позволяют оптимизировать потребление энергии и снизить затраты на ее производство.
- Системы энергоэффективного освещения, которые позволяют снизить использование энергии на освещение и улучшить качество света в помещении.
Методы улучшения качества энергии:
- Использование приборов, задачей которых является компенсация реактивной мощности на кабельной линии и стабилизация коэффициента мощности в трёхфазной сети.
- Замена трансформаторов современными установками, которые имеют функцию регулировки под нагрузкой. Данным аппаратам не требуется демонтаж и отключение в условиях падения напряжения, а настройка калибровки возможна в режиме эксплуатации.
- Использование автотрансформаторов с линейными переключателями для изменения величин напряжений на вторичных обмотках, так же работающих без снятия нагрузки.
- Подключение компенсаторов к кабельной силовой сети, гармонизирующих количество вырабатываемой мощности в авторежиме.
- Подключение к сети установок БСК.
