В последние несколько лет качеству электрической энергии стали уделять больше внимания из-за жалоб потребителей на его низкий уровень. Стоящая перед электроэнергетикой задача создания интеллектуальных систем, а в промышленном производстве и экономике в целом – цифровой экономики, предполагает оснащение и широкое применение электронной техники и цифровых технологий.
Электронная техника, с одной стороны, является источником искажения качества электрической энергии, а с другой – требует его высокого качества, что обязывает уже вплотную заниматься проблемой поддержания требуемого новым оборудованием качества электрической энергии.
Советскими учеными и инженерами более 50 лет назад был исследован и установлен факт огромного вреда низкого качества электрической энергии для экономики страны. Поэтому в Советском Союзе был разработан государственный стандарт на качество электрической энергии «ГОСТ 13109-67. Электрическая энергия. Нормы показателей качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения». ГОСТ вступил в действие с 1 января 1970 года.
В 1968 г. 5-м номере журнала «Электричество» ему была посвящена статья М.Н. Мельникова «К вопросу о качестве электроэнергии». Статья до сих пор является актуальной. И в настоящее время она является программной в области нормирования и управления качеством электрической энергии.
Из всех задач, сформулированных в статье, выполнена только одна – разработаны и имеются в достаточном количестве хорошие приборы для измерения показателей качества электрической энергии.
Названия всех современных ГОСТов на качество электрической энергии указывают на то, что в них сформулированы требования к качеству электрической энергии. В действительности в ГОСТах оценивается качество напряжения.
Напряжение является только одним из параметров, используемых для определения величины электрической энергии. Для оценки качества напряжения в ГОСТах установлены показатели и нормативные значения на их величины.
При оценке качества напряжения рассматривается пять характеристик. Четыре из них касаются отклонения параметров напряжения от номинальных: частоты, величины, формы, симметрии фазных напряжений. Пятая характеристика фиксирует факт наличия напряжения, которое не может обеспечить работу электрооборудования, и называется прерыванием.
Прерывание наступает, если в трехфазной системе величина напряжения становится меньше 5% от номинального или договорного.
Все изменения характеристик напряжения делятся на две группы: продолжительные и случайные.
К продолжительным изменениям относятся: отклонение частоты, медленные изменения напряжения, колебания напряжения и фликер, несимметрия фазных напряжений, несинусоидальность напряжения и интергармоники, напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям.
Перечисленные изменения характеристик напряжения вызываются главным образом изменениями нагрузки, схемы сети.
Для оценки изменений характеристик напряжения, кроме интергармоник и напряжений сигналов, в "ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" установлены показатели и нормы на их величины.
К случайным изменениям относятся: прерывания, провалы напряжения, перенапряжения и импульсные напряжения. Они вызываются в основном непредсказуемыми событиями. В ГОСТ 32144-2013 для них не установлены ни показатели, ни нормы, но приводится статистическая информация.
Отклонения характеристик напряжения от номинальных вызывают у поставщиков электрической энергии и потребителей различные негативные последствия, и как результат – экономический ущерб.
Прерывания и провалы напряжения возникают в результате коротких замыканий, подключения нагрузок большой мощности и других факторов. При провалах напряжения возможно самопроизвольное отключение контакторов и магнитных пускателей и, как результат – нарушение электроснабжения, вызывающее у потребителей технологический ущерб.
Гармоники токов вызывают перегрев как фазных, так и нулевого проводов кабельных линий. Проблема особенно актуальна в сетях низкого напряжения, где источниками гармоник являются однофазные нагрузки.
Гармоники также вызывают ошибочное срабатывание выключателей из-за высокого значения крест-фактора, перегрев трансформаторов из-за дополнительных потерь на вихревые токи, повреждение конденсаторов из-за больших значений токов гармоник увеличивают потери в асинхронных двигателях, вызывают ошибочную работу защит и автоматики и много других негативных последствий.
Необходимо также учитывать, что искажения, связанные с несимметрией и несинусоидальностью напряжения, увеличивают потребление энергии.
К прямому ущербу относится ущерб, который связан непосредственно с повреждением оборудования, неправильной работой защит и автоматики, увеличением потерь электрической энергии при производстве, передаче, распределении и потреблении.
Прямой ущерб можно разделить на два вида – явный и неявный.
Явный ущерб связан с последствиями, которые можно увидеть, измерить. Неявный ущерб накапливается в течение длительного времени и может быть оценен по косвенным признакам, специальным экспериментам и расчетам.
Ущерб, вызывающий нарушение технологических процессов различных производств, обуславливающих снижение качества и количества выпускаемой продукции, снижение производительности, простой рабочей силы, относится к косвенному ущербу. К нему также следует отнести нематериальный ущерб, представляющий собой неудобства, например, невозможность включить компьютер и войти в Интернет.
Последствия ущерба требуют дополнительных финансовых затрат. По оценкам экспертов, экономический ущерб из-за низкого качества электрической энергии ежегодно составляет миллиарды долларов и евро.
В настоящее время требования ГОСТ 32144-2013 выполняются только по одному показателю – отклонению частоты благодаря системному подходу к решению задачи повышения качества регулирования частоты в энергосистеме. Анализ результатов измерений других показателей качества напряжения говорит о том, что нарушения требований ГОСТ имеют массовый и систематический характер.
Значения показателей, характеризующих несинусоидальность напряжения, превышающие нормы, наблюдаются в электрических сетях, питающих электрифицированную железную дорогу переменного тока, алюминиевые заводы и крупные металлургические предприятия. Превышают норму значения показателя, характеризующего несимметрию напряжения, в электрических сетях, питающих электрифицированную железную дорогу переменного тока.
Задачи по обеспечению требуемых уровней названных выше показателей практически никогда не ставятся и не решаются. В сетях также имеют место провалы напряжения и значительные отклонения величины напряжения от установленной нормы. Последнее особенно сказывается на повседневной жизни бытовых потребителей. При величинах напряжения в розетке меньших 220 В не работает бытовая техника.
Смотрите также: Какое напряжение в бытовой сети оптимальное для работы электроприборов
Яков Кузнецов
