Итак, что мы должны подразумевать под термином "качество электроэнергии", и какая цель должна преследоваться всеми субъектами, участвующими в этом процессе? Идеальный источник энергии должен быть всегда доступен, его напряжение и частота всегда в рамках допустимых пределов, и он имеет синусоидальную форму волны без шумов и искажений.
Несмотря на это, электрические энергосистемы обычно не способны к обеспечению электропитания, выполняющего эти потребности. Несмотря на это, электрические энергосистемы зачастую не способны предоставлять электропитание, выполняющее эти требования. Чаще всего ухудшение качества электроэнергии происходит как из-за возмущений вызванных переходными процессами (броски и просадки напряжения, импульсные помехи) так и в установившихся режимах (гармонические искажения, несимметричность, фликер). Каждая из этих проблем имеет различные причины возникновения. Некоторые проблемы жестко связаны с разнесённой структурой электрических линий. Например, короткое замыкание в электрической сети может вызвать провал напряжения, который затронет некоторых потребителей, подключенных к энергосистеме, и чем более серьезное короткое замыкание, тем большее количество потребителей будет затронуто. Другие проблемы, такие как гармонические искажения, являются результатом влияния нагрузок потребителя, и могут распространятся по сети и негативно влиять на работу других потребителей, а могут и нет. В большинстве случаев промышленные потребители жалуются на очевидные энергетические проблемы, такие как отсутствие напряжения (которое колеблется от нескольких секунд до нескольких часов), и кратковременные провалы или спады напряжения, когда амплитуда, на короткое время, значительно уменьшается. Фактически, продолжительное отсутствие напряжения - проблема для всех пользователей, но многие технологические процессы очень чувствительны даже к очень коротким прерываниям электроснабжения. Пример таких чувствительных операций - непрерывные процессы, где даже короткие прерывания электроснабжения могут привести к потере синхронизации между различными механизмами и этим остановить все процессы производства. Хотя большинство потребителей более чувствительны к переходным помехам, так как в таком случае немедленно происходят экономичные потери, есть большое количество проблем не видных не вооруженным глазом, но затрагивающие электроэнергетические параметры, таких как гармоники и несимметрия напряжения. Фактически, основным эффектом действия гармонических составляющих на энергосистему является резонанс, уменьшающий срок службы вращающихся машин, нарушающий корректную работу защитных устройств электросистемы, вносящий ошибки в измерениях, дополнительные потери, и т.д. Кроме того, явление несимметрии необходимо надежно контролировать, обнаруживать и исправлять. Машина, работающая под несимметричным электропитанием, будет потреблять ток с некоторым углом разбаланса. В результате трехфазные токи будут значительно отличаться от номинальных, и может иметь место повышение температуры механизма. Двигатели и генераторы, особенно дорогие и габаритные, могут быть оснащены защитой контролирующей несимметричность напряжения, и отключающей машину, если несимметричность имеет место быть. Многофазные выпрямители, во процессе работы, также вызывают несимметричность электропитания; это выражается в появлении нежелательной переменной составляющей на стороне постоянного тока и нехарактерную гармонику на стороне переменного тока. Кроме того, присутствие несимметричной нагрузки создают несбалансированные токовые составляющие, которые вызывают падения напряжения на сопротивлении источника и следовательно производят энергию текущие назад от нагрузки к электрической сети.
Учитывая вышеупомянутые аспекты, следующий раздел сосредоточен главным образом на гармонических составляющих, действия которых должны стать более понятными в будущем.
6. Различные виды искажений
Чтобы оценить качество получаемой энергии мы можем определить некоторые характерные параметры. Такие как:
Изменения частоты
Изменения амплитуды
Синусоидальность токов и напряжений
Симметричность напряжений
Эти параметры могут измениться во время нормального функционирования электрической системы из-за изменений нагрузки, помех вызванных потребителем и возникновением короткого замыкания. Как следствие, эти параметры могут изменятся во времени в каждой точке потребления энергии, и в каждый момент времени они, могут быть, не равны в различных точках электрической сети. В большинстве случаев статистическая оценка таких процессов помогает собрать важные средние значения, чтобы собрать информацию о качестве электроэнергии.
6.1 Изменение частоты
Отключение мощных генераторов или коммутация главных потребителей может приводить к изменению частоты питающего напряжения в следствие переходных процессов. Эти изменения эффективно корректируются первичным контуром управления генератора. Потом, энергия передаваемая через соединённые сети регулируется генераторной станцией, которая осуществляет вторичное регулирование. Первичное регулирование обеспечивает, в замкнутых сетях, среднее изменение частоты стремящееся к нулю. Частота сети влияет на работу двигателей (изменение скорости вращения), быстродействие некоторых электронных устройств, где частота используется в целях синхронизации, потерях в магнитных материалах и бесполезности фильтров гасящих гармонические искажения. Изменения частоты характеризуются в процентном соотношении к номинальной частоте.
6.2 Изменение амплитуды
Изменение амплитуды(медленные изменения напряжения) Напряжение электрической сети непрерывно изменяется из-за процессов коммутации электрических устройств питающихся от сети. Изменение напряжения может быть медленным или быстрым в зависимости от того, происходит ли плавное изменение нагрузки или ступенчатое в следствие коммутации мощного потребителя. Импеданс энергосистемы оказывает большое влияние на величину отклонения напряжения при изменении нагрузки: чем выше импеданс, тем больше размах отклонений.
6.3 Флуктуации напряжения
Флуктуации напряжения (быстрые изменения напряжения). Серия быстрых изменений напряжения называется флуктуацией напряжения. Отличие "быстрых" изменений напряжения от "медленных" до конца не определено, и эти отличия могут приниматься в пределах о нескольких секунд до минуты. "Медленные" изменения напряжения оцениваются через средние значения десятиминутных интервалов. "Быстрые" изменения напряжения могут быть единичными и многократными и их амплитуда обычно не превышает номинальную более чем на 6-8 процентов. Обычно электрическое устройство в состоянии работать даже при таких искажениях(в большинстве случаев, скорректированных регулятором напряжения), если опорное напряжение не слишком мало. Изменения напряжения такого рода вызваны переменными нагрузками, такими как сварочные машины, дуговыми печами и дробилками. Изменения напряжения более чем на 10% от номинального, не зависимо от продолжительности, называются бросками напряжения.
6.4 Доза фликера
Термин "доза фликера" применяется как систематическая или случайная вариация амплитуды напряжения в пределах от 0.9 до 1.1 от номинального. Иногда термины фликер и изменения напряжения используются взаимозаменяемо. Но изначально, фликер характеризует именно визуальное восприятие нестабильности светового потока, чья интенсивность и спектральный состав изменяются во времени. Амплитуда изменений напряжения обычно - меньше чем 10 %, поэтому поведение электрических устройств не меняется. Не смотря на это, подобные небольшие возмущения вызывают изменения светового потока, заметные человеческому глазу. Эта визуальная чувствительность сильно зависит от частоты возмущающих процессов, и достигает своего пика при частоте приблизительно 7-10 Гц. В этом диапазоне будет заметно изменение величины действующего напряжения питающего источник света даже на 0,3% от номинального.
Невозможно полностью избавиться от фликера, но в значительной степени уменьшить этот эффект можно через:
• увеличение мощности короткого замыкания системы электроснабжения;
• уменьшение циркулирующей реактивной мощности
• ограничение пусковых токов электродвигателей
6.5 Просадки напряжения
Просадки напряжения - кратковременные перерывы энергоснабжения. Просадки напряжения это двумерные электромагнитные возмущения которые характеризуются амплитудой и продолжительностью. Суть просадки заключается в том, что в этом периоде энергия к потребителю не подводится должным образом и это может вызывать различные последствия в зависимости от типа нагрузки. В соответствии со стандартом международной электротехнической комиссии, под просадками напряжения подразумеваются внезапные уменьшения напряжения, затрагивающие распределительную сеть, ниже 90 % от опорного напряжения.
Это уменьшения должны быть восстановлены в течении 60 с. Всякий раз, когда напряжение падает до нуля, это классифицируется как кратковременные перерывы энергоснабжения.
Продолжительность кратковременного провала напряжения - интервал между моментом, когда напряжение падает ниже порогового значения и момент, когда напряжение снова повышается выше порога. Глубина кратковременного провала напряжения - это разность между номинальным и остаточным напряжением.
Пусковые режимы мощных потребителей и короткие замыкания сети это основные причины провалов напряжения. Провалы, вызванные пусковыми токами, менее глубоки и но более продолжительны(до нескольких секунд) чем провалы вызванные короткими замыканиями сети (меньше чем одна секунда). Во время пуска энергоёмких потребителей, величина токов протекающих по сети, может быть значительно больше чем в установившемся режиме. А так как фидеры и кабель системы электроснабжения сконструированы для работы в установившемся режиме, высокие значения тока вызывают значительное падение напряжения.
6.6 Изменение формы волны
Гармоники. Если искажение электрической волны непрерывное и периодическое, оно может быть рассмотрено в трёх вариациях: как среднее значение, вычисленное за один период рассматриваемого сигнала, основная составляющая имеющая ту же самую частоту что и у рассматриваемого сигнала и сумма гармонических составляющих. Амплитуда гармоники уменьшается с ростом частоты. Визуальное представление называется спектр.
Что касается симметричных форм волны (у которых положительные и отрицательные полуволны идентичны), там четные гармоники практически не проявляются. Этот тип гармоники был распространен, когда применялись полупериодные выпрямители. Поставщики электроэнергии предоставляют синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, но ток потребляемый нагрузкой не всегда синусоидальный. Ток нагрузки не будет иметь синусоидальную форму, если импеданс нагрузки изменяется в течении периода Т волны(то есть нагрузка имеет нелинейную вольт-амперную характеристику). Такие типы потребителей называются нелинейными. Например, ток намагничивания трансформатора искажен гармоникой третьего порядка из-за нелинейной характеристики намагничивания. Выпрямители (зарядные устройства, сварочные машины, и т.д.), инверторы, электронные стартеры, приводы с регулируемой частотой вращения, газоразрядные лампы - и это не полный список нелинейных потребителей. Искаженный ток вызывает падения напряжения так, что результирующее напряжение, питающее сеть, перестаёт иметь синусоидальную форму. Напряжение питающей сети - это напряжение подаваемое трансформатором минус падение напряжения на фидере. Таким образом, на искажение напряжения влияет ещё и расстояния от трансформатора до нагрузки и полное сопротивление линии электропередачи. Короче говоря, искажение напряжения, влияющее на определённый точку сети, зависит от значения тока короткого замыкания в этой точке. Кроме того, как только напряжение сети стало искажено, линейной нагрузка начинает потреблять искаженный ток. Присутствие такой гармоники в сети ответственно за негативные последствия. Кроме того, на более высоких частотах, увеличиваются потери в железе (потери на гистерезис и добавочные потери) а так же потери в кабельных линиях. Наконец, электронное оборудование может сбоить из-за присутствия гармоник.
Другим аспектом, которым нельзя пренебречь, является проблема паразитных резонансов, связанная с присутствием гармонических составляющих в электрических сетях. Фактически, в случае резонанса, амплитуда отдельно рассматриваемой гармоники может увеличиться в несколько раз относительно нормального функционирования системы. Следовательно это вызовет большой ток который может серьезно повредить конденсаторы и другое оборудование, присоединенное к сети.
Чтобы предотвратить такое развитие событий, резонансная частота сети на каждом участке сети должна быть известна и должны быть смонтированы хорошо подобранные, анти-резонансные индуктивные элементы, которые могут предотвращать колебательные процессы.
6.7 Некратные гармоники
Некратная гармоника - специфическая гармоника, частота которой не является кратной частоте основной гармоники. Исследование такой гармоники за прошедшие несколько лет вызывает всёвозрастающий интерес из-за массивного внедрения приборов силовой электроники которые и генерируют некратные гармоники. Мы можем наблюдать такие гармоники в тех устройствах, в которых по крайней мере один элемент, не синхронизирован с базовой частотой энергосистемы. Существует большое количество потребителей, генерирующих некратные гармоники тока или напряжения, например дуговые печи, сварочные станки и циклоконвертеры.
6.8 Асимметрия напряжений
Трехфазное устройство симметрично и сбалансировано, когда напряжения и токи имеют одинаковую амплитуду в каждой фазе и углы между фазами равны 120 градусам. Обычно, произведенная электроэнергия отлично сбалансирована из-за особенностей строения синхронного генератора. Кроме того, действием некоторых геометрических асимметрий в сетях электроснабжения можно пренебречь. Так что можно заявить, что ассиметричные потребители, потребляющие асимметричные токи, являются основной причиной несимметрии напряжений в питающей сети.
7. Заключение
В этой статье был представлен краткий обзор возможных помех на линии электроснабжения, затрагивающих правильную работу энергетической системы. Проблемы гармонического состава были освещены глубже остальных. Дополнительно были рассмотрены методы отслеживания и оценки качества электроэнергии с точки зрения гармонических помех. Особо была отмечена потребность в стандартизированном методе идентификации причин ухудшения качества электроэнергии, определения количества нежелательных взаимодействий и подчёркнута важность точной оценки влияния и ответственности каждого из участников рынка энергоснабжения.
8. Список литературы
1. New Power Quality assessment criteria for Harmonic Disturbances, M. Marinelli, V.G. Monopoli, 2007.
2. Electromagnetic compatibility in power systems, Francesco Lattarulo, 2006
3. Electromagnetic compatibility problems, V. Amoruso, F. Lattarulo, 2001.
4. Math abstractions in describing of transient processes, E. De Tuglie, 2006
