Обзор различных параметров качества электросети
Для бесперебойной эксплуатации современных установок и системнеобходима повышенная надежность электроснабжения и хорошее качество электросети. За последние годы значительно возросла нагрузка сетевой инфраструктуры электрическими и электронными потребителями, оказывающими обратное воздействие на сеть. В зависимости от вида генерирующей установки и оборудования (питание от сети с преобразователем, генератор), жесткости сети в точке подключения и характеристик нелинейных потребителей, возникают различные обратные воздействия на сеть и помехи.
Высшие гармоники
Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному “загрязнению сетей”. Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, какS pзaаnnгuрnяgзsvне erlнauиf е(V ) воды и воздуха для экологии. В идеальном случае на выходных клеммах генератора выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой. Stromverlauf (A)
Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих “загрязненных” токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с высшими гармониками – которые обычно называют высшими гармониками.
Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях, могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.
Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения, так как они таким образом могут вызвать сбои в производственном процессе вплоть до остановки производства. Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания.
Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к “активным” синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки. Это может привести к термической перегрузке. Кроме того, дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы.
Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. В англоязычных странах и все чаще в немецко-язычном пространстве эти точки называют Point of Common Coupling (PCC-точка общего присоединения). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и вызывающих их причин.
Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)
Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.
Коэффициент искажения для напряжения
• M = порядковый номер высшей гармоники• M = 50 (UMG 605-PRO, UMG 511, UMG 512-PRO)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1
Коэффициент искажения для тока
• M = порядковый номер высшей гармоники• M = 50 (UMG 605-PRO, UMG 511, UMG 512-PRO)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1
Общее искажение тока (TDD)
Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.
TDD (I)
• TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) и эффективным значением тока при полной нагрузке.• IL = ток максимальной нагрузки
• M = 50 (UMG 605-PRO, UMG 511, UMG 512-PRO)
Перепады напряжения могут привести к серьезным проблемам, например, к сбою в производственных процессах и к снижению качества. Подобные перепады возникают гораздо чаще, чем прерывания.
Асимметрия тока / напряжения
Симметрия трехфазной системы означает, что напряжение и ток в трех фазовых проводах равны друг другу с периодом 120°.
Асимметрия возникает, если нарушено одно из этих условий или оба условия одновременно. В большинстве случаев асимметрию вызывают нагрузки.
В сетях высокого и среднего напряжения используются, как правило, трехфазные и симметричные нагрузки, хотя и в них могут присутствовать большие одно- или двухфазные нагрузки (например, индукционные печи с частотой питающей сети, печи сопротивления и т. п.). К низковольтной сети часто подключают однофазные электрические нагрузки (например, персональные компьютеры, бытовую радиоэлектронику, осветительные приборы и т.п.), и соответствующие контуры токов нагрузки должны максимально равномерно распределяться по трехфазовым проводам в рамках электрической разводки. В зависимости от уравновешивания однофазных нагрузок сеть работает в большей или меньшей степени симметрично.
Уровень совместимости для асимметрии, вызванной всеми потребителями, при стационарном режиме напряжения не должен превышать 2 %. Для отдельных потребляющих установок максимальная асимметрия составляет 0,7 % при усреднении за 10 минут.
Асимметрия напряжения приводит к следующему:
• Повышенная токовая нагрузка и потери в сети.
• При равной мощности потребителей фазовые токи могут достигать 2- или 3-кратного значения, а потери возрастать от 2 до 6 раз. Кабели и трансформаторы при этом можно нагружать только на половину или на треть номинальной мощности.
• Повышенные потери и переменные вращающие моменты в электрооборудовании.
• Поскольку создаваемое системой обратной последовательности фаз поле вращается в направлении, обратном направлению вращения скользящего контакта, и индуцирует в нем токи, возникает дополнительная термическая нагрузка.
• Выпрямители тока и инверторы реагируют на асимметрию питающего напряжения выработкой нехарактерных высших гармоник.
• В трехфазных системах с подключением по типу “звезда” ток протекает через нейтраль.
Подробные формулы приведены в сборнике формул.
Переходные процессы
Переходными процессами называют быстрый, импульсный процесс установления электрических колебаний. Как правило, это высокочастотные, имеющие крутую форму сигналы в виде нестационарных колебаний.
Для обнаружения и регистрации переходных процессов необходимы высококачественные электронные анализаторы качества сети с высокой частотой сканирования. В результате непрерывных изменений в сети электроснабжения, вызываемых коммутационными операциями и сбоями, в ней постоянно возникают новые состояния, которые приводят к нарастанию колебаний во всей системе. При этом в стандартном случае возникают переходные токи и напряжения. Для определения, приводят ли переходные процессы к желательному или нежелательному изменению сети и находятся ли они в пределах допустимого диапазона, необходимы четкие
критерии принятия решения.
Высокие переходные перенапряжения могут, в зависимости от источника поступившей энергии (например, удара молнии), привести к нарушению изоляции и повреждению установок и оборудования.
Для обнаружения и регистрации переходных процессов необходимы высококачественные электронные анализаторы качества напряжения с высокой частотой выборки.
Пример из практики:
В результате подключения конденсаторов без фильтрации высокие переходные токи часто возникают даже в беспроблемных сетевых конфигурациях. Фильтрация оказывает сильное демпфирующее воздействие и защищает, таким образом, от неизбежных и труднопредсказуемых проблем. В качестве альтернативы можно использовать специальные конденсаторные контакторы с предварительной зарядкой.
Падения и прерывания подачи напряжения
Что представляет собой провал напряжения?
В соответствии с европейским стандартом EN 50160 провалом напряжения считается внезапное понижение эффективных значений напряжения до значения от 90 % до 1 % от заданного, после чего следует восстановление напряжения. Длительность провала напряжения может составлять от половины периода (10 мс) до минуты.
Если эффективное значение напряжения не опускается ниже 90 % от заданного значения, это рассматривается как нормальное рабочее состояние. Если напряжение падает ниже 1 % от заданного значения, это считается прерыванием.
Таким образом, провал напряжения не следует путать с прерыванием. Прерывание возникает, например, после срабатывания предохранителя (тип. 300 мс). Сбой питания в сети распространяется в форме провала напряжения по остальной распределительной электросети.
На рисунке уточняется разница между провалом, коротким прерыванием и пониженным напряжением.
Провалы напряжения возникают по следующим причинам:
• Короткие замыкания• Процесс включения и выключения больших нагрузок
• Запуск приводов (с большой нагрузкой)
• Импульсные мощности (управление пакетами импульсов, термостатирование)
• Дуговые электропечи
• Сварочные установки
• Включение конденсаторов
• Строительные работы
• Птичий помет
Провалы напряжения могут привести к отказу компьютерных систем, ПЛК- установок, реле и преобразователей частоты. В критических процессах всего один провал напряжения может вызвать высокие потери, особенно критичны в этом отношении непрерывные процессы. Примером этому служат литье под давлением, экструзионные процессы, печать или обработка таких пищевых продуктов, как молоко, пиво или прохладительные напитки.
Связанные с провалом напряжения потери складываются из:
• Упущенной прибыли в результате простоя производственных мощностей• Затрат на возобновление производственного процесса
• Потерь, связанных с задержками поставок продукции
• Потерь из-за испорченного сырья
• Затрат на устранение ущерба, причиненного машинам, приборам и матрицам
• Затрат на техобслуживание и оплату труда
Часто процессы протекают без присутствия людей, поэтому провалы напряжения обнаруживаются не сразу. В этом случае возможна незамеченная остановка, например, машины для литья под давлением. При обнаружении остановки уже будет нанесен ощутимый ущерб. Клиенты получат продукцию слишком поздно, а пластмасса в машине затвердеет.
Фликер
Фликер – это субъективное впечатление об изменениях плотности света или впечатление о неустойчивости визуальных восприятий, вызванных световыми излучениями с временными флуктуациями плотности света или спектральным распределением. Колебания напряжения вызывают изменение яркости ламп, которые могут привести к заметному для глаза явлению, называемому фликером. Начиная с определенного предельного значения эффект фликера является помехой. Вредное действие колебаний напряжения зависит от частоты повторения импульса и кривой изменения напряжения. В качестве меры вредного воздействия используются кратковременная доза фликера и длительная доза фликера.
Колебания напряжения, вызванные отдельными устройствами (в низковольтной сети), допустимы, если вызванный ими коэффициент вредного воздействия фликера не превышает 1 Длительный коэффициент вредного воздействия фликера, рассчитанный как среднее из двенадцати значений, не должен превышать 0,65. Самым простым методом оценки значения является использование кривой = 1 p.u. P.u. означает “unit of perception” и соответствует порогу восприятия человеческим глазом колебаний освещенности. Значение = 1 p.u. не должно быть превышено в результате суммарного воздействия всех помех.
Смещение фаз и реактивная мощность
Реактивная мощность необходима для создания электромагнитных полей машин, например, трехфазных электродвигателей, трансформаторов, сварочных установок т.п. Поскольку эти поля непрерывно исчезают и возникают заново, реактивная мощность перемещается между генератором и потребителем. В отличие от активной мощности ее нельзя использовать, т.е. преобразовать в другую форму энергии, поэтому она создает нагрузку на сеть электроснабжения и генераторные установки (генераторы и трансформаторы). Кроме того, из-за реактивного тока распределительные установки должны иметь большую мощность.
Поэтому целесообразно снижать возникающую индуктивную реактивную мощность в непосредственной близости от потребителя с помощью Рис.: Смещение фаз между током и напряжением противодействующей емкостной реактивной мощности равной величины. (∆φ) Этот процесс называют компенсацией. В ходе компенсации доля индуктивной реактивной мощности в сети снижается на величину реактивной мощности силового конденсатора или установки для компенсации реактивной мощности (КРМ). Генераторные установки и системы электропередачи освобождаются при этом от реактивного тока. Сдвиг фаз между током и напряжением уменьшается или, в идеальном случае, при коэффициенте мощности 1 – полностью устраняется.
Коэффициент мощности (Power Factor) – это параметр, зависящий от таких сбоев в сети, как искажение или асимметрия. Он снижается при увеличении сдвига фаз между током и напряжением и при росте искажения кривой тока. Рис.: Принцип компенсации реактивной мощности Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной и является, таким образом, показателем эффективности использования нагрузки электрической энергии. Чем больше коэффициент мощности, тем эффективнее используется электроэнергия, так выше КПД.
Коэффициент мощности – Power Factor (арифметический)
• Коэффициент мощности без символаcos (phi) – Фундаментальный коэффициент мощности
• Для расчета cos (phi) используется только основная мода колебаний• символ cos phi (φ):
- = при подаче активной мощности
+ = при потреблении активной мощности
Поскольку при нагрузке высшими гармониками невозможно указать единый угол сдвига фаз, нельзя путать коэффициент мощности λ и часто используемый коэффициент смещения cos(φ1). Из формулы где I1 = эффективное значение первой гармоники тока, I = общий эффективный ток, g1 = доля первой гармоники тока и cos(φ1) = коэффициент сдвига, видно, что только при синусоидальном напряжении и токе (g = 1) коэффициентмощности λ равен коэффициенту сдвига cos(φ1). Таким образом, только при синусоидальном напряжении и токе коэффициент мощности λ равен косинусу угла сдвига фаз φ и равен коэффициенту мощности.
