Как определить качество электроэнергии — нормы и параметры оценки

Что входит в проверку качества электроэнергии

Обследование объекта. Перед началом проверки проводится опрос заказчика и изучается техническая документация.

Разработка технического задания. В ТЗ приводят цель, порядок, последовательность и методы проверки КЭ.

Установка приборов учета качества электроэнергии. Приборы помогают снимать показатели электросети во время ее обычной работы.

Отслеживание показателей качества. Параметры КЭ снимают в течение определенного времени, чтобы получить базу данных для дальнейшей оценки.

Оценка качества электроэнергии. Полученные данные сверяются с нормативами, выявляются расхождения и устанавливаются их причины.

Разработка рекомендаций по улучшению качества электроэнергии. Выбранные методы обязательно соответствуют установленным стандартам.

Оформление документации. По итогам проверки заказчику выдают технический отчет, составленный по форме ГОСТ Р 54149-2010.

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.

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.

Факторы снижения качества электроэнергии

Снижение качества электроэнергии обусловливает:

1. увеличение потерь во всех элементах электрической сети;
2. перегрев вращающихся машин, ускоренное старение изоляции сокращение срока службы (в некоторых случаях выход из строя электрооборудования;
3. рост потребления электроэнергии и требуемой мощности элек трооборудования;
4. нарушение работы и ложные срабатывания устройств релейно защиты и автоматики;
5. сбои в работе электронных систем управления, вычислительно! техники и специфического оборудования;
6. вероятность возникновения однофазных коротких замыканий изза ускоренного старения изоляции машин и кабелей с последующим переходом однофазных замыканий в многофазные;
7. появление опасных уровней наведенных напряжений на проводах и тросах отключенных или строящихся высоковольтных линий электропередачи, находящихся вблизи действующих;
8. помехи в теле и радиоаппаратуре, ошибочная работа рентгеновского оборудования;
9. неправильная работа счетчиков электрической энергии.

Одна часть ПКЭ характеризует помехи, вносимые установившимся режимом работы электрооборудования энергоснабжающей организации и потребителей, т. е. вызванные особенностями технологического процесса производства, передачи, распределения потребления электроэнергии.

К ним относятся отклонения напряжения и частоты, искажения синусоидальности формы кривой напряжения, несимметрия и колебания напряжения. Для их нормирования установлены допустимые значения ПКЭ.

К ним относятся провалы и импульсы напряжения, кратковременные перерывы электроснабжения. Для этих ПКЭ допустимых численных значений ГОСТ не устанавливает. Однако такие параметры, как амплитуда, длительность, частота, должны измеряться и составлять статистические массивы данных, характеризующие конкретную электрическую сеть в отношении вероятности появления кратковременных помех.

Нормы применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при установлении уровней помехоустойчивости электроприемников и уровней кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приемниками. Установлено два вида норм: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия нормам проводится в течение расчетного периода, равного 24 ч.

Частота является общесистемным параметром и определяется балансом активной мощности в системе. При возникновении дефицита активной мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс вырабатываемой и потребляемой электроэнергии. При этом снижение частоты связано с уменьшением скорости вращения электрических машин и уменьшением их кинетической энергии.

Освобождающаяся при этом кинетическая энергия используется для поддержания частоты. Поэтому частота в системе меняется медленно. Однако при дефиците активной мощности (более 30 %) частота меняется быстро и возникает эффект мгновенного изменения частоты — «лавина частоты». Изменение частоты со скоростью более 0,2 Гц/с принято называть колебаниями частоты.

Устанавливается 11 показателей качества электроэнергии.

Установившееся отклонение напряжения (под этим термином понимается среднее за 1 мин отклонение напряжения, хотя процесс изменения действующего значения напряжения в течение этой минуты может быть совсем не установившимся) нормируется только в сетях 380/220 В, а в точках сетей более высокого напряжения оно должно определяться расчетным путем.

Для провалов напряжения установлена лишь предельно допустимая длительность каждого провала (30 с) в сетях напряжением до 20 кВ и представлены статистические данные об относительной дозе провалов разной глубины в общем числе провалов, но не приведены статистические данные о числе провалов за единицу времени (неделю, месяц и т. п.). По импульсным напряжениям и временным перенапряжениям нормы не установлены, но дана справочная информация о возможных их значениях в сетях энергоснабжающих организаций.

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%.

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

Допустимые нормы отклонения напряжения по ГОСТ

В данной статье речь пойдет о допустимых нормах отклонения напряжения на зажимах электроприемников, согласно ГОСТов, НТП, РД, СП и различных справочников по электроснабжению. В настоящее время допустимые отклонения напряжения регламентируются следующими нормативными документами:

• ГОСТ 32144 — 2013 (взамен ГОСТ Р 54149—2010) соответствует европейскому стандарту EN 50160:2010 и принят в таких странах как: Армения, Беларусь, Кыргызстан, Российская Федерация, Таджикистан и Узбекистан.
• ДСТУ ЕN 50160:2014 (взамен ГОСТ 13109-87) он разработан на основании европейского стандарта EN 50160:2010 и принят в Украине.
• НТП 99 (взамен СН 357-77) – Нормы технологического проектирования. Проектирование силовых электроустановок промышленных предприятий.
• РД 34.20.185-94 — Инструкция по проектированию городских электрических сетей.
• СП 31-110-2003 — Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий.

Согласно ГОСТ 32144 — 2013 пункт 4.2.2 предельно допустимое значение установившегося отклонения на зажимах электроприемников должно быть в пределах ± 10 % от номинала сети.

Соответственно номинальное напряжение будет находится в пределах:

• для сети 220 В – от 198 до 242 В;
• для сети 380 В – от 342 до 418 В;

Обращаю Ваше внимание, что для нормальной работы электроприемников нормально допустимым показателем отклонения напряжения является ±5%. В ГОСТ 32144 — 2013 об этом ничего не сказано, в отличие от ГОСТ 13109-87 (заменен) таблица 1

Также в действующих нормативных документах приведены следующие формулировки:

РД 34.20.185-94 пункт 5.2.2:

СП 31-110-2003 пункт 7.23:

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.

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

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

Результаты по контрольной точке «высоковольтная линия «Лепетан» 10 кВ»

Высоковольтная линия 10 кВ «Лепетан» подает электроэнергию с нескольких трансформаторных подстанций 10/04 кВ на очень разные нагрузки: агротехнические комплексы, административные здания, многоквартирные дома, школы, детские сады, супермаркеты, склады, водопроводно-канализационная организация, казармы и др. На одной из трансформаторных станций 10/04 кВ была обнаружена проблема с качеством электроэнергии, поскольку у одного из потребителей форма кривой тока была очень нелинейной. Это трансформаторная станция 10 /0,4 кВ под названием «Plavda». Нелинейным потребителем является водопроводная станция, оборудованная насосом с мощными асинхронными двигателями. Конкретно этот замер в контрольной точке высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан» проводился с марта по июль 2005 года. На рисунке 4 приведено расположение трансформаторной подстанции рассматриваемой высоковольтной линии.

Рисунок 4. Расположение трансформаторной станции высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан»

Общая длина высоковольтной линии «Лепетан» составляет около 1,4 км. На следующих рисунках представлены диаграммы форм сигналов напряжений и токов и гармонические спектры.

Рисунок 5. Форма сигнала напряжения высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан»

Рисунок 6. Гармонический спектр напряжений высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан»

Рисунок 7. Форма кривой тока высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан»

Таблица 5. Показатели качества электроэнергии высоковольтной линии 10 кВ «Лепетан»

На рисунке 6 представлен гармонический спектр напряжений с преобладанием 5-й и 7-й гармоник напряжения. Наибольшее влияние на коэффициент THDU, если рассматривать состояние качества электроэнергии в начале высоковольтной линии «Лепетан» (на электрической шине 10 кВ в ТС 35/10 кВ Тиват), оказывала 5-я гармоника напряжений. Главным виновником данного уровня 5-й гармоники была водопроводно-канализационная организация, подключенная к ТС 10/04 кВ «Plavda». Эта проблема была устранена после того, как местная водопроводно-канализационная компания в городе Тиват установила правильное оборудование для устранения гармоник высокого порядка в электрических сетях.

Таблица 6. Численные значения составляющих качества электроэнергии

Основной рабочей характеристикой высоковольтной линии «Лепетан» был плохой коэффициент мощности (таблица 5). Частота была в допустимых пределах. В таблице 6 представлены численные значения качества электроэнергии для напряжений и токов компонентов высоковольтной линии «Лепетан».

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.

Результаты по контрольной точке ТС 10/04 кВ «Селяново Б»

Данная подстанция является первой на высоковольтной линии «Лепетан». Установленная мощность силового трансформатора составляет 630 кВА. Данная трансформаторная станция, в основном, снабжает электроэнергией частные подворья, несколько административных зданий, школу и детские ясли. А также, эта станция обеспечивает освещение общественных мест. Информация о зарегистрированных напряжениях представлены на следующем рисунке.

Рисунок 8. Изменение напряжений в контрольной точке ТС 10/04 кВ «Селяново Б»

Одна часть изменений коэффициента THDU представлена ​​на рисунке 9. Максимальное значение коэффициента THDU составило 7,53% и было зарегистрировано 6 июня 2005 г. в 20:07. Данное значение было абсолютно недопустимым.

Рисунок 9. Изменения коэффициента THDU в контрольной точке ТС 10/04 кВ «Селяново Б»

Рисунок 10. Изменения 5-й гармоники напряжений в контрольной точке ТС 10/04 кВ «Селяново Б»

Мы можем увидеть очевидное сходство на рисунках 9 и 10. В один и тот же момент, коэффициенты THDU и 5-й гармоники напряжений имеют максимальное значение. Ясно, что 5-я гармоника напряжения имеет доминирующее влияние на форму кривой коэффициента THDU. Значение 5-й гармоники напряжения (4,9%) превысило предельно допустимое (согласно государственным стандартам Венгрии и Австралии). Согласно IEEE-519, это значение незначительно ниже предельно допустимого.

Полные нормы напряжение в электросети: ГОСТ

Несмотря на то, что большинство обывателей и людей, не относящихся к категории осведомленных в области напряжения в их электросети, утвердительно скажет о том, что стандартным напряжением является показатель в 220 В. К их удивлению, даже несмотря на старые и привычные всем наклейки, на котором указан общепринятый стандарт, уже не актуальны.

Такие акты приняты также в Украине и странах Балтии, в том числе Беларуси.

К чему привело изменение стандарта:

• Изменилось рабочее напряжение на кабеле электросети;
• Колебания стали чуть более значимыми, нежели ранее, но все также в допустимых нормах 5% и максимальных – 10%;
• Потенциальная оплата услуг поставки электроэнергии выросла не совершенно символическую сумму;
• Частота подачи напряжения – 50 Гц.

Таким образом, напряжение в сети должно считаться несколько возросшим в бытовой практике. Но на деле же все иначе и это сулит наличие подводных камней в сфере поставки организациями электроэнергии. Несмотря на общепринятый стандарт, организации, поставляющие напряжение в квартиры домов, подают все по тем же меркам, принятым еще в советское время и равным 220 В. Все это происходит официально по ГОСТу 32144-2013, которым и руководствуются поставщики.

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.

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.