Показатели качества электрической энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприёмников. Поэтому, если он работает неудовлетворительно, а в каждом конкретном случае анализ качества потребляемой электроэнергии даёт положительные результаты, то виновато качество изготовления или эксплуатации. Под термином "качество электрической энергии" понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии.

Устанавливается 11 показателей качества электроэнергии:

установившееся отклонение напряжения ;

размах изменения напряжения ;

доза фликера ;

коэффициент искажения синусоидальности кривой междуфазного (фазного) напряжения ;

коэффициент n-й 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 .

Владельцы электроустановок, имеющие компьютерные сети, в которые включены от двадцати до тысячи и более компьютеров, в последнее время всё чаще сталкиваются с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

Уровень сложности оборудования в сфере компьютерных технологий постоянно повышается. Поэтому системы обеспечения качества электроснабжения должны быть разработаны таким образом, чтобы они были способны справиться с широким спектром проблем, начиная от провалов, колебаний, выбросов напряжения, высокочастотных шумов, импульсных помех и заканчивая обеспечением электропитанием при полном отсутствии напряжения промышленной сети.

Одну из таких проблем представляют искажения формы напряжения, вызванные гармоническими составляющими тока, потребляемого нелинейной нагрузкой. Большая часть компьютерного и офисного оборудования представляет собой нелинейную электрическую нагрузку, что создает искажения в питающей сети. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, которое воздействует на другое оборудование, получающее электропитание от того же источника. Это может вызывать перегрев и рассинхронизацию в других устройствах, сбои в коммуникациях и сетях передачи данных, повреждении аппаратуры и другие нежелательные эффекты.

Проблема не уникальна. Все страны на определенном этапе концентрации компьютерной техники сталкиваются с ней и вынуждены кардинально менять технические регламенты эксплуатации, нормы проектирования, разрабатывать соответствующую базу стандартов.

В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу.

1. НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

ГОСТ 13109 - 97 устанавливает показатели и нормы в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трёхфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приёмники электрической энергии (точки общего присоединения). Нормы применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при установлении уровней помехоустойчивости электроприёмников и уровней кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приёмниками. Установлено два вида норм: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия нормам проводится в течение расчётного периода, равного 24 часам.

1.1 Показатели КЭ

Показателями КЭ являются:

- установившееся отклонение напряжения Uy;

- размах изменения напряжения Ut;

- доза фликера Рt;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n);

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U;

- отклонение частоты f;

- длительность провала напряжения tп;

- импульсное напряжение Uимп;

- коэффициент временного перенапряжения Кпер U.

1.2 Свойства электрической энергии, показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ

Таблица 1.1 - Свойства электрической энергии, показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ

Свойства электрической энергии	Показатель КЭ	Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
Отклонение напряжения (рисунок А.1)	Установившееся отклонение напряжения Uy	Энергоснабжающая организация
Колебания напряжения (рисунок А.1)	Размах изменения напряжения Ut Доза фликера Pt	Потребитель с переменной нагрузкой
Несинусоидальность напряжения (рисунок А.2)	Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n)	Потребитель с нелинейной нагрузкой
Несимметрия трехфазной системы напряжений	Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U	Потребитель с несимметричной нагрузкой
Отклонение частоты	Отклонение частоты f	Энергоснабжающая организация
Провал напряжения (рисунок А 1)	Длительность провала напряжения tп	Энергоснабжающая организация
Импульс напряжения (рисунок А.З)	Импульсное напряжение Uимп	Энергоснабжающая организация
Временное перенапряжение (рисунок А. 1)	Коэффициент временного перенапряжения KперU	Энергоснабжающая организация



Рисунок 1.1 - Отклонение напряжения

Рисунок 1.2 - Несинусоидальность напряжения

Рис. 1.3

1.3 Нормы КЭ

Установлены два вида норм КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия показателей КЭ указанным нормам проводится в течение расчетного периода, равного 24 ч.

1.3.1 Отклонения напяжения

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы:

- нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения Uy на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение);

- нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии. Определение указанных нормально допустимых и предельно допустимых значений проводят в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке.

1.3.2 Колебания напряжения

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

- размахом изменения напряжения;

- дозой фликера.

Нормы приведенных показателей:

Предельно допустимые значения размаха изменения напряжения Ut в точках общего присоединения к электрическим сетям при колебаниях напряжения, огибающая которых имеет форму меандра (см. рисунок 1.4), в зависимости от частоты повторения изменений напряжения FUt или интервала между изменениями напряжения ti, i+1 равны значениям, определяемым по кривой 1 рисунка 1.4, а для потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания, в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, - равны значениям, определяемым по кривой 2 рисунка 1.4. Перечень помещений с разрядами работ, требующих значительного зрительного напряжения, устанавливают в нормативных документах, утверждаемых в установленном порядке.

Рисунок 1.4 - Предельно допускаемые размахи изменений напряжения в зависимости от частоты повторения изменений напряжения за минуту для колебаний напряжения, имеющих форму меандра

Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения Uy и размаха изменений напряжения Ut в точках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ± 10 % от номинального напряжения.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера PSt при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,38, а для длительной дозы фликера PLt при тех же колебаниях напряжения равно 1,0.

Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч.

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера PSt в точках общего присоединения потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,0, а для длительной дозы фликера PLt в этих же точках равно 0,74.

1.3.3 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Нормы приведенных показателей:

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.2.

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением Uном приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.2 - Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Нормально допустимое значение при С/ном, кВ	Предельно допустимое значение при Uном, кВ
0,38	6-20	35	110-330	0,38	6-20	35	110-330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

Таблица 1.3 - Значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, в процентах

Нечетные гармоники, не кратные 3, при Uном , кВ	Нечетные гармоники, кратные 3**, при Uном , кВ	Четные гармоники при Uном, кВ
n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330
5 7 11 13 17 19 23 25 >25	6,0 5,0 3,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,5 0,2+ +1,3х х25/n	4,0 3,0 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 0,2+ +0,8х х25/n	3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,2+ +0,6х х25/n	1,5 1,0 1,0 0,7 0,5 0,4 0,4 0,4 0,2+ +0,2х х25/n	3 9 15 21 >21	5,0 1,5 0,3 0,2 0,2	3,0 1,0 0,3 0,2 0,2	3,0 1,0 0,3 0,2 0,2	1,5 0,4 0,2 0,2 0,2	2 4 6 8 10 12 >12	2,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2	1,5 0,7 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2	1,0 0,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2	0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

* п - номер гармонической составляющей напряжения.

** Нормально допустимые значения, приведенные для и, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице.

Предельно допустимое значение коэффициента n -ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

KU(n)=1,5 KU(n)норм,	(1.1)

где KU(n)норм - нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 1.3.

1.3.4 Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Нормы приведенных показателей

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

1.3.5 Отклонение частоты

Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы:

- нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

1.3.6 Провал напряжения

Провал напряжения характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма:

- предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной зашиты и автоматики.

1.4 Способы расчета и методики определения показателей КЭ и вспомагательных параметров

Несинусоидальность напряжения

1) Измерение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения K(n)i осуществляют для междуфазных (фазных) напряжений.

Для каждого i-го наблюдения за период времени, равный 24 ч, определяют действующее значение напряжения n-ой гармоники U(n)i в вольтах, киловольтах.

Вычисляют значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения KU(n)i в процентах как результат i-го наблюдения по формуле

KU(n)i=,	(1.2)

где U(l)i - действующее значение напряжения основной частоты на i-ом наблюдении в вольтах, киловольтах.

Допускается вычислять данный показатель КЭ по формуле

KU(n)i=.	(1.3)

Относительная погрешность вычисления КU(n)i с использованием формулы (1.3) вместо формулы (1.2) численно равна значению отклонения напряжения U(1)i от Uном.

Вычисляют значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n) в процентах как результат усреднения N наблюдений KU(n)i интервале времени Tvs равном 3 с, по формуле

KU(n)=.	(1.4)

Число наблюдений N должно быть не менее 9.

2) Качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения не превышает предельно допустимого значения, а значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения.

При этом качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5 % от установленного периода времени, т. е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения - 0 % от этого периода времени.

3) Измерение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения КU осуществляют для междуфазных (фазных) напряжений.

Для каждого i-го наблюдения за установленный период времени определяют действующие значения гармонических составляющих напряжения в диапазоне гармоник от 2-й до 40-й в вольтах, киловольтах .

Вычисляют значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кт в процентах как результат i-го наблюдения по формуле:

KUi=,	(1.5)

где U(1)i - действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для /-го наблюдения, В, кВ.

При определении данного показателя КЭ допускается:

не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %;

вычислять данный показатель КЭ по формуле

KUi=.	(1.6)

Относительная погрешность определения КUi с использованием формулы (1.6) вместо формулы (1.5) численно равна значению отклонения напряжения U(1)i от Uном.

Вычисляют значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения КU в процентах как результат усреднения N наблюдений КUi на интервале времени Тvs, равном 3 с, по формуле

KU=.	(1.7)

4) Качество электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения не превышает предельно допустимого значения, а значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам настоящего стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения.

При этом качество электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5 % от установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения - 0 % от этого периода времени.

2. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ТРЁХФАЗНЫХ СЕТЯХ

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы.

Наиболее распространенным оборудованием, которое генерирует высшие гармоники тока в сеть, является:

	- статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);
	- газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
	- электродуговые печи постоянного и переменного тока;
	- сварочные аппараты;
	- устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;
	- электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;
	- специальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от места своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказывать влияние на другие нагрузки. Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок.

2.1 Вентильные преобразователи

Полупроводниковые преобразовательные устройства находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и др. технологические установки.

На промышленных предприятиях наибольшее применение получили трехфазные мостовые схемы. Эти схемы являются также основой для построения более сложных схем многомостовых преобразователей.

Для мостового преобразователя кривая сетевого тока при соединении первичной обмотки трансформатора преобразователя в звезду имеет вид, показанный на рис. 2.1.

Форма кривой зависит от угла управления , задаваемого системой импульсно-фазового управления, и угла коммутации .

Рисунок 2.1 - Кривая сетевого тока

Порядок (номера) гармоник сетевых токов определяется выражением

,

где р- число фаз преобразователя;

k =1,2,3.......

Для мостового преобразователя, у которого р=6,

=5;7;11;13;17;19;23;25;.........

Амплитуда -й гармоники определяется выражением

,

где

Еm- амплитуда ЭДС питающей энергосистемы, =+/2 - угол сдвига по фазе между кривыми ЭДС 1-й гармоники сетевого тока.

Начальная фаза сдвига -й гармоники определяется достаточно точно по формуле: .

В практических расчетах удобно находить по выражению:

,

где Ud иUd0 - средние значения выпрямленного напряжения преобразователя соответственно в режимах нагрузки и холостого хода.

Проведенные исследования показали, что в амплитудных спектрах первичных токов преобразователей содержатся как канонические гармоники (=5,7,11,13,17,19......), так и неканонические или анормальные гармоники (=2,3,4,6,8......). Основной причиной появления анормальных гармоник является асимметрия импульсов управления, свойственная всем системам управления. Амплитуды анормальных гармоник по сравнению с амплитудами канонических гармоник как правило, невелики.

На базе трехфазной мостовой схемы реализуются ряд схем преобразователей применяемых в электроприводе:

- Тиристорный электропривод на базе вентильного двигателя;

- Асихронный вентильный каскад;

- Скомпенсированный вентильный электропривод;

- Привод на базе асинхронного двигателя с использованием частотного регулирования частоты вращения.

2.2 Дуговые сталеплавильные электропечи

Нелинейность вольт-амперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник. Формы кривых тока печей в большой степени зависят от режима горения дуги в разные периоды плавки. В начальный период расплавления ток печи колеблется между токами режима холостого хода и короткого замыкания, форма кривых токов значительно отличается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока сравнительно меньше. Форма кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной.

В сравнении с вентильными преобразователями той же мощности уровни гармоник, генерируемых дуговыми печами, оказываются в 34 раза меньше. Сказанное относится к периоду расплавления, поэтому для практических целей важно знать уровни гармоник для периода расплавления.

Токи гармоник для практических расчетов рекомендуют принимать.

,

где Iп, Т - номинальный ток печного трансформатора.

Уровень 5,7,11 и 13-й гармоник тока, генерируемых электродуговыми печами, относительно невелик. Эквивалентное действующее значение их не превосходит 10% тока 1-й гармоники. В токах дуговых электропечей содержатся также анормальные 2,3,4,6-я гармоники. Основными причинами появления анормальных гармоник являются непрерывное изменение условий горения дуг печи и неполное выравнивание сопротивлений короткой сети. Эквивалентное действующее значение токов высших гармоник в токе за счет анормальных гармоник возрастает в 1,82 раза.

2.3 Дуговые вакуумные печи

Дуговые вакуумные печи получают питание от вентильных преобразователей, которые коммутируются по 6-фазной схеме с уравнительным реактором. Кривая сетевого тока оказывается такой же, как и мостовых преобразователей электроприводов. Уровень анормальных гармоник тока оказывается весьма значительнее (I28%, I36%).

2.4 Однофазные печи электрошлакового переплава

Являются практически линейной нагрузкой, поскольку переплав электрода осуществляется за счет нагрева слитка в слое расплавленного электропроводного шлака.

2.5 Рудиотермические печи

Рудиотермические печи работают с шунтированной дугой, благодаря этому нелинейность дуги практически не проявляется. Содержание высших гармоник в токе печей незначительно; уровни 2,3 и 5-й гармоник тока не превышают 11,5%, остальные гармоники оказываются намного меньше.

2.6 Установки электродуговой и контактной сварки

Для установок электродуговой сварки в качестве источника питания используются полупроводниковые выпрямители. Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителями, различны для отдельных режимов работы сварочных установок.

В зависимости от нагрузки выпрямитель может работать в одном из трех режимов: режиме прерывистых токов при малых нагрузках, которому соответствует двухвентильная коммутация А; средних нагрузках В; режиме трехвентильной коммутации при больших нагрузках С.

Режим А практического значения не имеет. В режиме В уровни 5-й и 7-й гармоник тока оказываются весьма нестабильными. Уровень высших гармоник тока в режиме С значительно ниже, чем в режиме В.

2.7 Установки контактной электросварки

Установки контактной электросварки включаются в сеть с помощью тиристорных ключей. Для плавного регулирования сварочного тока вентильные устройства снабжаются системами фазового регулирования. Применение фазового регулирования приводит к искажению формы тока, потребляемого сварочными машинами. Определяющими гармониками при разложении тока являются 1,3 и 5-я. Кроме нечетных гармоник присутствуют также четные гармоники. Появление четных гармоник объясняется разбросом углов регулирования вентилей. Влияние четных высших гармоник на несинусоидальность токов сварочных машин невелико.

Для установок дуговой или контактной электросварки токи гармоник определяют для единичной установки:

,

где Sном.т - номинальная мощность трансформатора;

KЗ - коэффициент загрузки трансформатора;

ПВ - продолжительность включения.

2.8 Трансформаторы и электрические машины

При синусоидальном напряжении сети магнитный поток трансформатора синусоидален, поэтому напряжение на вторичной стороне также синусоидально. В идеальном случае при отсутствии гистерезиса поток Ф и вызывающий его ток намагничивания i связаны нелинейной кривой намагничивания.

Поэтому синусоидальному потоку соответствует несинусоидальная кривая тока намагничивания. Учет явления гистерезиса не меняет общей картины характера изменения тока намагничивания.

В токе намагничивания присутствуют все нечетные гармоники, в основном, гармоники, кратные трем. Для исключения распространения по сети гармоник, кратных трем, на силовых трансформаторах одна из обмоток соединяется в треугольник. В этом случае трансформатор для гармоник, кратных трем, представляет «фильтр-ловушку». Гармоники «отсасываются» в трансформатор и в сеть не поступают.

У силовых трансформаторов токи намагничивания значительно увеличиваются при включении трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после ликвидации КЗ. Особенно большими будут токи намагничивания, если существует остаточное намагничивание сердечника трансформатора. Ток намагничивания с большим содержанием высших гармоник в этих режимах может превышать в 3-5 раз номинальный ток трансформатора. Хотя время существования таких токов несколько периодов, влияние их на работу устройств релейной защиты и автоматики может оказаться существенным.

2.9 Вращающиеся машины

Вращающиеся машины также являются источниками в.г; так как магнитный поток электромагнитной системы не является строго синусоидальным, имеют место нечетные гармоники. Поэтому ЭДС генератора могут быть представлены в виде гармонического ряда .

Значения гармонических ЭДС определяются шириной шага обмотки, расстоянием между обмотками и схемой соединения фаз, статора. Соответствующим подбором указанных параметров можно уменьшать или даже исключить полностью многие ЭДС гармоник. Например, гармоники, кратные трем, полностью исключаются соединением обмоток статора в треугольник. Зачастую достаточно лишь правильно выбрать величину шага обмоток, чтобы снизить 5-ю и 7-ю гармоники.

3. ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие при этом экономические ущербы обусловлены главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращение срока службы электрооборудования.

Основной круг вопросов, составляющих содержание проблемы несинусоидальности, сводится к следующим:

оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок;

количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электросетях;

снижение уровней высших гармоник.

Известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию f(t) с периодом 2, удовлетворяющую условию Дирихле можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармониками.

Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ю называются высшими гармониками.

Согласно теореме Фурье, мгновенное значение функции f(t) может быть представлено тригонометрическим рядом.

,

где А0 - постоянная составляющая;

- номер гармоники;

а, b - коэффициенты ряда Фурье;

n - номер последней из учитываемых гармоник.

Коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам:

,

.

Амплитуду -й гармоники определяют из выражения:,

а начальную фазу -й гармоники: .

Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

При работе асинхронного двигателя в условиях несинусоидального напряжения немного снижается его коэффициент мощности и вращающий момент на валу.

Искажение формы кривой напряжения заметно сказывается на возникновении и протекании ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация зарядов связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик; в результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению её электропрочности, возрастанию диэлектрических потерь и, в конечном счете, к сокращению срока службы.

Наиболее ощутимое влияние высших гармоник оказывает на работу батарей конденсаторов. Конденсаторы, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка и токами высших гармоник, которая возникает, как правило, при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармоник.

В соответствии с ГОСТ батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более на 30%; однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы сокращается.

При несинусоидальном режиме сети происходит ускорение старения изоляции силовых кабелей. Исследования кабелей работающих при синусоидальном и при уровне высших гармоник в кривой напряжения в пределах 68,5% показали, что токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36%, через 3,5 года - на 43% больше, чем в первом.

Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. Индукционные счетчики активной и реактивной энергии при несинусоидальных напряжениях и токах имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10%.

Наличие высших гармоник затрудняется и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств и даже вызывают сбой в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского контролируемого пунктов.

Несинусоидальность формы кривой напряжения отрицательно сказывается на работе вентильных преобра-зователей, ухудшая качество выпрямления тока.

3.1 Потери мощности вызываемые высшими гармониками

При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности:

Дополнительные потери активной мощности в синхронных машинах от высших гармонических тока определяется по формуле:

где Рнсм - дополнительные потери в металле обмоток (меди) синхронной машины от высших гармоник;

Рнс.ст - дополнительные потери в стали от высших гармоник;

Рнс.т -мощность, идущая на преодоление тормозного момента вызываемого током высшей гармоники.

Дополнительные потери активной мощности в обмотках асинхронного двигателя, обусловленные токами высших гармоник, определяются по формуле.

,

где R1R2' - активное сопротивление статора и приведенное активное сопротивление ротора на частоте -й гармоники.

Дополнительные потери активной мощности в силовых трансформаторах, кабельных и воздушных линиях и реакторах определяются по формуле:

.

Дополнительные потери активной мощности в силовых конденсаторах:

а) Дополнительные потери активной мощности в диэлектрике силового конденсатора:

б) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в изоляции от корпуса силовых конденсаторов:

в) Дополнительные потери активной мощности от внешних гармоник в обкладках конденсаторов:

электрический энергия качество сеть

где Кn,e- коэффициент учитывающий влияние поверхности эффекта на участке е, Ке- сопротивление е-го участка.

3.2 Форма питающего напряжения

Повышенное значение коэффициента амплитуды указывает на то, что имеется большой пик потребляемого тока за половину периода сетевой частоты. Чем выше пиковое значение тока и меньше его длительность за полупериод напряжения сети, тем больше его искажение. Коэффициент амплитуды тока данной нагрузки изменяется в зависимости от характера источника электропитания, в то время как способность самого источника к обеспечению нагрузок с большим коэффициентом амплитуды определяется его полным внутренним сопротивлением и его способностью обеспечивать пиковые значения потребляемого от него тока.

Для многих устройств, выполняющих функции источников электропитания, такая способность может быть достигнута только путем завышения номинальных параметров этого оборудования. В частности, в современных генераторных установках переменного тока сверхпереходное реактивное сопротивление составляет приблизительно 15%, что производит достаточно неблагоприятное воздействие на форму напряжения, если не используются специальные обмотки или мощность генератора не будет выбрана заведомо завышенной.

Современные источники бесперебойного питания (ИБП) способны контролировать форму напряжения на каждом полупериоде синусоиды. В настоящее время в подавляющем большинстве систем бесперебойного питания практически любой мощности используются инверторы на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) при высокочастотном широтно-импульсном методе их управления. Такие системы обладают способностью питания нагрузок с высокими коэффициентами амплитуды тока (3 и выше) за счет переключений на высокой частоте и корректировке формы напряжения на каждом полупериоде. Эта способность отдавать ток с высокими пиковыми значениями может приводить к тому, что форма напряжения на выходе ИБП с двойным преобразованием энергии заметно лучше, чем у промышленной сети на входе системы.

3.3 Падения напряжения в распределительной сети

Большинство ИБП способно питать нагрузки с высоким значением коэффициента амплитуды, причем коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает 3-6 %. Однако это уровень искажений напряжения, получаемый при замерах на выходных клеммах самих ИБП, но не в местах подключения нагрузки.

Следует учитывать, что форма тока из-за высокого процентного содержания высших гармоник будет сильно отличаться от синусоидальной. Формы токов для однофазного (рис. 3.1) и трехфазного (рис. 3.2) выпрямителей характеризуются определенным процентным содержанием нечетных высокочастотных гармоник (таблица 3.1). Соответствующие спектры таких токов приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.1- Форма тока однофазного выпрямителя



Рис.3.2 - Форма тока трехфазного выпрямителя

Рис. 3.3 - Спектры входных токов выпрямителей: а - однофазного, б - трехфазного.

Таблица 3.1 - Спектральный состав тока на входе ИБП (пример - при 100% нагрузке для ИБП без входного фильтра и корректора коэффициента мощности)

N гармоники, n	однофазный ИБП, In / I1 (%)	трехфазный ИБП, In / I1 (%)
1	100	100
3	65,7	-
5	37,7	33
7	12,7	2,7
9	4,4	-
11	5,3	7,3
13	2,5	1,6
15	1,9	-
17	1,8	2,6

Полное сопротивление распределительной сети имеет в значительной степени индуктивный характер. Поэтому при очень высоком содержании гармоник токов соответствующее падение напряжения на кабелях и проводах становится намного выше предельно допустимых значений , и в типичных распределительных системах с кабельными трассами длиной более 100 метров может происходить сильное искажение напряжения на нагрузке. Примером таких искажений может служить графики тока и напряжения на входе однофазного выпрямителя в зависимости от величины относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера или внутреннего сопротивления источника питания выпрямителя (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Формы напряжения и тока на входе бестрансформаторного однофазного выпрямителя в зависимости от относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера

3.4 Эффект гармоник кратных третьей

Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т.д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, "фундаментальная", т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей:

n = 3 (2 k + 1) , где k = 0, 1, 2, ... (1)

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали (рис. 5).

Рисунок 3.5 - Процесс формирования тока нейтрали при нелинейной нагрузке

В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.

Так, например, при фазных токах равных 37 А, ток нейтрали составляет 55 А при частоте, равной 150 Гц.. Неправильно спроектированные четырехпроводные кабели трехфазных сетей могут перегреваться вплоть до воспламенения, подтверждая тем самым необходимость увеличения сечения проводников нейтрали трехфазных кабелей сети электропитания компьютерного оборудования. Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети.

3.5 Резонансные явления на частотах высших гармоник

При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы и распределительные сети системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.

3.6 Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях

Когда телекоммуникационные или управляющие сети проходят вблизи силовых сетей, по которым протекают токи высших гармоник, в первых могут наводиться помехи и искажения информационного сигнала. Величина искажения будет зависеть от частоты высших гармоник, длины параллельных участков сетей и расстояния между ними.

3.7 Акустический шум

В трансформаторах, дросселях и других электромагнитных элементах высшие гармоники тока, создавая электродинамические усилия, вызывают дополнительные акустические шумы.

3.8 Вибрация в электромашинных системах

Наличие высших гармоник в напряжении питания индукционных электродвигателей является причиной возникновения в магнитном потоке составляющих на частотах высших гармоник, которые в свою очередь будут наводить гармоники ЭДС и, как следствие этого, в обмотках ротора появляются высшие гармоники тока. Эти гармоники будут взаимодействовать с основным магнитным потоком, создавая дополнительные механические моменты на валу электрической машины. В результате создаются гармонические пульсации вращающего момента на валу двигателя. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, приводящая к накоплению усталости металла и возможному разрыву вала ротора электродвигателя.

3.9 Нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах

Дополнительные потери, вызывающие перегрев трансформаторов при наличии высших гармоник, возникают из-за скин-эффекта в меди обмотки (увеличение активного сопротивления обмотки с ростов частоты), а также увеличением потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе трансформатора.

В электрических машинах, кроме аналогичных потерь в статоре (потери в меди и магнитопроводе), из-за значительной разнице в скоростях вращающихся магнитных полей, создаваемых высшими гармониками, и скоростью вращения ротора возникают дополнительные потери в демпферных обмотках ротора и магнитопроводе электрической машины.

3.10 Нагрев конденсаторов

Дополнительные потери при наличии высших гармоник в конденсаторах обусловлены увеличением "угла потерь" в диэлектрике и ростом действующего значения тока конденсатора. Возникающий перегрев в конденсаторе может приводить к пробою диэлектрика. Кроме этого, конденсаторы чувствительны к перегрузкам, вызываемым присутствием высших гармоник напряжения.

3.11 Нагрев кабелей распределительной сети

Дополнительные потери в кабелях силовой сети, приводящие к повышению температуры проводников, при наличии высших гармоник тока.

4. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

4.1 Включение линейных дросселей

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей (рис. 4.1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) Ka и коэффициент искажения Kи входного тока.

(4.1)

где - амплитуда импульса тока, - действующее значение несинусоидального тока.

(4.2)

где - действующее значение основной (первой) гармоники тока,

In- действующее значение "n"-ой гармоники тока.

(4.3)



Рисунок 4.1 - Кривые токов нелинейных нагрузок: а - без дросселя, б - при последовательном включении дросселя.

Taблица 4.1 - значения коэффициента искажения тока на входе трехфазного мостового выпрямителя при различных значениях относительного индуктивного сопротивления дросселя на основной частоте (Хдр)

Хдр %	1	2	3	4	5	8
Ки %	75	52	45	40	35	28

4.2 Применение пассивных фильтров

Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10% . Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более. На рис. 4.2 (г) приведена реализация трехфазного LC-фильтра, применяемого как опциональное устройство в 3-х фазных UPS.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров:

	-нескомпенсированный LC-фильтр;
	-скомпенсированный LC-фильтр;
	-нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.

Рисунок 4.2 - Пассивные фильтры: а - некомпенсированный LC-фильтр, б - компенсированный LC-фильтр, в - некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором, г - трехфазный вариант LC фільтра

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику (рис. 4.2а). Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Недостатком такого фильтра является следующее. При использовании в качестве первичного источника питания дизель-генераторную установку (ДГУ) с ограниченной установочной мощностью, последний может обеспечить относительно низкое значение емкостной составляющей тока нагрузки (10-30%).

При включении UPS на ДГУ, когда осуществляется "мягкий" старт выпрямителя, активная мощность, потребляемая нагрузкой, равна нулю и генератор ДГУ оказывается нагруженным только на емкостное сопротивление фильтра. Значительная емкостная составляющая потребляемого от генератора тока может привести к нарушению нормальной работы генераторной системы и отключению ДГУ. Следовательно, возможность использования нескомпенсированных LC-фильтров должна быть проанализирована с точки зрения согласования характеристик генератора и параметров фильтра.

Скомпенсированный фильтр содержит дополнительную поперечную индуктивность Др3, способствующую тому, что фильтр по отношению к генератору имеет индуктивный характер (рис. 4.2б). Это снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора в пусковом и установившемся режимах. Однако наличие Др3 приводит к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Нескомпенсированный фильтр с коммутатором удобен при использовании ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью UPS. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода UPS на номинальный режим (рис. 4.2в).

Таким образом, не требуется применение ДГУ завышенной мощности и не снижается коэффициент мощности системы.

4.3 Применение специальных разделительных трансформаторов

Разделительный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.

5. ИЗМЕРЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

5.1 Контроль КЭ и основе требования к цифровым средствам измерений

1) Контроль за соблюдением энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии требований стандарта осуществляют органы надзора и аккредитованные в установленном порядке испытательные лаборатории по качеству электрической энергии.

2) Контроль качества электрической энергии в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к системам электроснабжения общего назначения проводят энергоснабжающие организации. Указанные организации выбирают точки контроля в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке.

3) Периодичность измерений показателей КЭ устанавливают:

- для установившегося отклонения напряжения - не реже двух раз в год в зависимости от сезонного изменения нагрузок в распределительной сети центра питания, а при наличии автоматического встречного регулирования напряжения в центре питания - не реже одного раза в год. При незначительном изменении суммарной нагрузки центра питания и неизменности схемы сети и параметров ее элементов допускается увеличивать интервал между контрольными измерениями для установившегося отклонения напряжения;

- для остальных показателей - не реже одного раза в 2 года, при неизменности схемы сети и ее элементов и незначительном изменении нагрузки потребителя, ухудшающего качество электроэнергии.

4) Конкретные сроки проведения периодического контроля качества электроэнергии в точках присоединения потребителей к системе электроснабжения общего назначения устанавливаются электроснабжающей организацией в эксплуатационных режимах, соответствующих нормальным схемам или длительным ремонтным схемам сетей общего назначения.

Таблица 5.1 - Контроль качества электроэнергии

Характер изменения напряжения	Рекомендуемая ширина измерительного окна Tw, с	Дополнительные требования
Установившийся	0,1-0,5	Допускаются пробелы между окнами
Быстроизменяющийся, колеблющийся	0,32 при прямоугольном окне 0,4-0,5 при окне Хеннинга	Не допускаются пробелы между окнами Должно обеспечиваться перекрытие смежных окон на 50 %
Переходный	0,08-0,16 при прямоугольном окне	Не допускаются пробелы между окнами
Примечание - Общее время i-го наблюдения для определения усредняемого за 3 с значения показателя КЭ должно быть не более 10 с, если допустимы пробелы между окнами выборки. При этом окна выборок должны быть равномерно распределены на интервале общего времени i-го наблюдения и суммарная ширина окон должна быть равна 3с

5) Потребители, ухудшающие качество электрической энергии, должны проводить контроль в точках собственных сетей, ближайших к точкам общего присоединения указанных сетей к электрической сети общего назначения, а также на выводах приемников электрической энергии, являющихся источниками кондуктивных электромагнитных помех.

Периодичность контроля качества электрической энергии устанавливает потребитель электрической энергии по согласованию с энергоснабжающей организацией с учетом требований п.3.

Контроль качества электрической энергии, отпускаемый тяговыми подстанциями переменного тока в электрические сети напряжением 6-35 кВ, следует проводить:

- для электрических сетей 6-35 кВ, находящихся в ведении энергосистем, - в точках присоединения этих сетей к тяговым подстанциям;

- для электрических сетей 6-35 кВ, не находящихся в ведении энергосистем, - в точках, выбранных по согласованию между тяговыми подстанциями и потребителями электрической энергии, а для вновь строящихся и реконструируемых (с заменой трансформаторов) тяговых подстанций - в точках присоединения потребителей электрической энергии к этим сетям.