Глава десятая качество электроэнергии

10.1. Показатели качества электроэнергии и их нормирование

Качество электроэнергии оценивается по технико-экономическим показателям, которые учитывают технологический (порча и ухудшение качества продукции, расстройство технологического процесса, снижение производительности труда и производительности механизмов) и электромагнитный (увеличение потерь электроэнергии, повреждение электрооборудования, нарушение работы автоматики, телемеханики, связи) ущерб, причиняемый народному хозяйству.

Систему показателей качества электроэнергии образуют количе­ственные характеристики медленных (отклонения) и быстрых (ко­лебания) изменений частоты и действующего значения напряжения, его формы и симметрии в трехфазной системе. Качество электроэнергии нормируется ГОСТ 13109-87. Стандарт не устанавливает нормы качества электроэнергии у ее приемников в аварийных режимах и в случае присоединения приемников к сетям не общего назначения (контактная сеть, сеть передвижных или стационарных маломощных установок до 1000 кВт и др.).

Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) разделяются на основные: отклонение напряжения, размах изменения напряжения, доза колебаний напряжения, коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, коэффициент n - й гармонической составляющей, коэффициент обратной последовательности напряжений, коэффициент нулевой последовательности напряжений, длительность провала напряжения, импульсное напряжение, отклонение частоты - и дополнительные: коэффициент амплитудной модуляции, коэффициент небаланса фазных и междуфазных напряжений. Для определения допустимых значений ПКЭ используют вспомогательные параметры: частоту изменений напряжения, интервал между изменениями напряжения, глубину провала напряжения, интенсивность провалов напряжения, длительность импульса по уровню половины его амплитуды.

В нормальном режиме работы электрической сети значения ПКЭ не должны выходить за пределы нормальных значений, указанных на рис. 10.1 (допускается отклонение до максимальных значений не более 1 ч за каждые сутки), в послеаварийном режиме ПКЭ не должны превышать максимальных значений, приведенных в табл. 10.1.

На поддержание нормальной частоты в питающей сети персонал электрики, как правило, не может влиять, хотя частота влияет на про­изводительность электропривода [см. (2.1), (2.2)].

Отклонение частоты - разность между действительным и номиналь-

252

ным значениям частоты:

(10.1)

Колебания частоты возникают при резкопеременных нагрузках мощ­ных прокатных станов, дуговых плавильных печей, сварочных устано­вок и отрицательно влияют как на генераторы и турбины электриче­ских станций, так и на работающие двигатели переменного тока: при­водят к нарушению устойчивости, недопустимым механическим воз­действиям на редукторы и роторы электрических машин (скручивание валов). При проектировании систем электроснабжения с мощными резкопеременными активными нагрузками нужно проводить прове­рочные расчеты колебаний частоты и предусматривать мероприятия по их уменьшению.

Таблица 10.1. Значения ПКЭ в нормальном и послеаварийном режимахработы сети общего назначения

Показатель качества электроэнергии		Допустимое значение
Обозна-чение	Характеристика	Номиналь-ное	максимальное
U	Отклонение напряжение, %, в электрической сети напряжением: до 1 кВ 6-20 кВ	 5 	 
Ut	Размах изменения напряжения, % не более: в точках сетей, к которым подключают осветительные установки с лампами накаливания; в помещениях со значительным напряжением в остальных помещениях, в том числе в жилых зданиях в помещениях с люминесцентными лампами	  	В соответствии с ГОСТ 13109-87 То же То же
	Доза колебания напряжения, %^2, не более: электрической сети, к котрой присоединяют осветительные установки с лампами накаливания; в помещениях со значительным напряжением в остальных помещениях в помещениях с люминесцентными лампами	  	0,018 0,034 0,079
Kнси	Коэффициент несинусоидальности, %, не более, в электрической сети напряжением: до 1 кВ 6-20 кВ 35 кВ 110 кВ и выше	5 4 3 2	10 8 6 4
Ки(п)	Коэффициент п – й гармонической составляющей напряжения нечетного (четного) порядка, %, не более, в электрической сети напряжением: до 1 кВ 6-20 кВ 35 кВ 110 кВ и выше	- - - -	6(3) 5(2,5) 4(2) 2(1)
К2и	Коэффициент обратной последовательности напряжений, %, не боле	2	4
К0и	Коэффициент нулевой последовательности напряжений, не более	2	4
f	Отклонение частоты, Гц	0,2	0,4
tп	Длительность провала напряжения, с, не более	-	Устанавливается дополнительно
Uимп	Импульсное напряжение, В, кВ. не более	-	То же

254

Действительное значение напряжения U в электрических сетях фазного тока определяют как действующее значение напряжения основной частоты U₍₁₎ без учета гармонических составляющих, в сетях трехфазного тока — как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U₁₍₁₎.

Колебания напряжения оцениваются:

размахом изменения напряжения (рис. 10.2), % - отношением разности между следующими друг за другом экстремумами (или экстремума и горизонтального участка) U_i и U_i+1 огибающей амплитудных значений напряжения к номинальному значению напряжения

(10.3)

дозой колебания напряжения, (%)²,

(10.4)

где q_f — коэффициент приведения действительных размахов изменении напряжений к эквивалентным;  — интервал времени усреднения, рав –

255

ный 10 мин;S (f, t) — частотный спектр процесса изменения напряжения в момент времени t.

Дозу колебания напряжения при периодических или близких к пе­риодическим изменениях напряжения можно определять по выражению

(10.5)

где U_f — действующие значения разложения составляющих в ряд Фурье изменений напряжения с размахом U_f в соответствии с (10.3) .

Колебания напряжения дополнительно оцениваются вспомогательными параметрами:

а) частотой изменения напряжения, c^-1 , мин^-1, ч ^-1,

F = т/Т, (10.6)

где т — число изменений напряжения за время измерения Т;

б) интервалом времени между изменениями напряжения]

(10.7)

где t_i+1 , t_i - начальные моменты следующих друг за другом изменений напряжения, с, мин, ч, в соответствии с рис. 10.2; в) глубиной провала напряжения (рис. 10.3) , %,

(10.8)

где U_min — минимальное действующее значение напряжения в течение провала напряжения, В, кВ;

г) интенсивностью провалов напряжения, %,

(10.9)

где m(U_п, t_п) — число провалов глубины U_п и длительности t_п за рассматриваемый интервал времени Т; М — суммарное число провалов напряжения за рассматриваемый интервал времени Т; д) длительностью импульса напряжения по уровню половины его амплитуды, мкс, мс,

(10.10)

256

где t_н, t_к — моменты времени, соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на полови­не амплитуды импульса, мкс, мс (рис. 10.4).

Допустимые значения колебаний напряжения определяются по кривым на рис. 10.1 в зависимости от частоты их повторения или интервала между последующими изменениями; кривая получена экспериментальным путем исследования реакции человека на периодические мигания осветительных установок. Степень раздражения органов зрения человека зависит от значений и частоты миганий светильника. Наиболее неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма человека вызывает мигание света с частотой 3—10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны: не более 0,5% в СНГ, 0,2-0,3% во Франции, США, Японии. Отклонения и колебания напряжения вызывают ухудшение работы электроприемников.

Несимметрия напряжений трехфазной сети характеризуется коэф­фициентом обратной последовательности напряжений К_2и, которая представляет собой отношение действующего значения напряжения обратной последовательности основной частоты U₂₍₁₎ определяемого разложением на симметричные составляющие системы линейных напря­жений, к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

(10.11)

Неуравновешенность напряжения характеризуется коэффициентом нулевой последовательности напряжений U_0и трехфазной четырехпро-водной системы, определяемым отношением действующего значения

257

напряжения нулевой последовательности основной частоты U₀₍₁₎ к номинальному фазному напряжению U_ном.ф, %:

(10.14)

Несимметрия напряжения питающей сети обусловлена ростом числа и единичной мощности потребителей электроэнергии, симметричное трехфазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям, например, индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог переменного тока, электросварочные агрегаты, освещение.

Несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом несинусоидальности кривой напряжения К_нси, определяемым отношением действующего значения гармонических составляющих напряжения от п-й до последней гармоники порядка N к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

(10.13)

и коэффициентом п-й гармонической составляющей напряжения К_и(п), определяемым отклонением действующего значения п-й гармонической составляющей напряжения U_(п) к номинальному значению междуфазного напряжения U_ном, %:

(10.14)

Стандарт позволяет не учитывать гармонические составляющие порядка 40 или те, значения которых менее 0,3%.

На различных ступенях напряжения в ряде стран, как и в СНГ, неси­нусоидальность напряжения нормируется тем строже, чем выше напряжение. Например, в Швеции для сети 0,25—0,43 кВ допустимые значения К_нс приняты 4%, для 3,3-24 кВ - 3%, более 84 кВ - 1%.

ГОСТ 13109-87 указывает на необходимость установления на границе раздела балансовой принадлежности электрических сетей требуемых значений всех показателей качества электроэнергии. Эти значения должны определяться по согласованию между договаривающимися сторонами, при подключении нового промышленного потребителя контроль ПКЭ проводят до присоединения и после него.

258

Периодичность контроля показателей качества электроэнергии осуществляется в зависимости от самого показателя и от потребителя (электроприемника). Во всяком случае, длительность измерения ПКЭ должна быть не менее 1 сут.