Основные сведения об электромагнитной совместимости и основных показателях качества электрической энергии

Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) электроприёмников понимается их способность удовлетворительно функционировать в конкретной электромагнитной обстановке, не внося недопустимых электромагнитных помех для всех остальных технических средств, также функционирующих в этой обстановке. Особую актуальность проблема ЭМС приобрела в последнее десятилетие. Это вызвано, во-первых, значительным увеличением установленной мощности нелинейных резкопеременных нагрузок, а во-вторых, массовым внедрением в системы управления технологическими процессами элементов микроэлектроники, микропроцессорной и вычислительной техники, которые наиболее чувствительны к таким электромагнитным помехам. Несмотря на принятие Федерального закона «Об электроэнергетике», где, в частности, установлен технический регламент по проведению государственного контроля качества электроэнергии, проблеме ЭМС в Росси не уделяется достаточного внимания.

Рассмотрим основные понятия, регламентируемые нормативными документами, касающиеся ЭМС в системах промышленного электроснабжения:

Электромагнитная помеха (ЭМП) – электромагнитное явление, процесс, которые снижают качество функционирования электроприёмника и даже могут привести к его отказу или разрушению. ЭМП проявляется чаще в виде импульсов тока и напряжения, а также воздействий электромагнитного поля. Поэтому различают кондуктивные помехи, которые передаются по проводам и полевые, распространяющиеся через окружающую среду. Например, преобразователь тяговой подстанции электрифицированного транспорта или мощная дуговая печь, будучи приёмниками с нелинейными характеристиками, потребляют из сети несинусоидальный ток, который является причиной искажения формы питающего напряжения.

В дальнейшем под кондуктивными помехами понимаются, в основном, изменения питающего напряжения: отклонения его действующего значения и частоты, несимметрия, несинусоидальность, провалы и дозы колебаний напряжения. Параметры этой группы ЭМП относятся к показателям качества электрической энергии. Существующие показатели не исчерпывают всё разнообразие воздействий кондуктивных помех, так для более адекватной оценки воздействий тиристорных преобразователей на питающую сеть вводят дополнительные параметры, например, площадь коммутационных провалов напряжения, скорость нарастания тока и мощности.

Искажения питающего напряжения в виде кондуктивных помех или значения напряжённости электрического и магнитного полей характеризуют электромагнитную обстановку.

Помехоустойчивость – способность приёмника сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Электромагнитная совместимость достигается, если уровни действующих помех не превышают уровня помехоустойчивости электроприёмника в пределах электромагнитной среды, в которой они находятся. Употребляемые в дальнейшем термины «показатель качества электроэнергии» (ПКЭ), «параметр (показатель) электромагнитной совместимости» являются синонимами. Эти величины должны иметь физический смысл и быть доступны для измерения, расчёта и нормирования.

С учётом того, что оценить максимальное значение помехи можно только статистическими методами, а обеспечить абсолютную ЭМС практически невозможно, достаточный уровень совместимости принимают в интервале между максимумами плотностей вероятности ЭМП и помехоустойчивости приёмника, при этом фактический уровень помехи может превышать допустимый уровень ЭМС не более 5% времени в неделю.

Нормативной базой для оценки электромагнитной совместимости электроприемников промышленных предприятий РФ является ГОСТ 13109-97 [1]. В нем указаны 11 основных показателей качества электрической энергии. Превышение допустимых норм для ниже перечисленных шести основных показателей качества электроэнергии сопровождается введением штрафных санкций:

1) отклонение частоты Δ f;

2) отклонение напряжения δ U _у;

3) доза фликера Р _St;

4) коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K _U;

5) коэффициент несимметрии напряжений по обратной
последовательности K_{2 U};

6) коэффициент несимметрии напряжений по нулевой
последовательности K _0U.

Формулы для расчета основных показателей качества электроэнергии приведены на рис. 1.1.

Дадим краткую характеристику основным ПКЭ:

1. Установившееся отклонение напряжения δ U _у – показатель характеризующий степень длительного отклонения действующего значения линейного напряжения, относительно номинального уровня. Расчет данного коэффициента выполняется с усреднением в 1 мин.

2. Размах изменения напряжения δ U _t – показывает степень колебания питающего напряжения и определяется как разность двух соседних экстремумов кривой действующего значения напряжения, рассчитываемого на каждом полупериоде синусоиды промышленной частоты 50 Гц. При нормировании данного показателя используется дополнительный параметр – частота повторения изменения напряжения F _{δ U t}.

3. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K _U – характеризует суммарное содержание высших гармоник в линейном напряжении. Определяется как отношение действующего значения высших гармонических составляющих к действующему значению основной гармоники. Расчет показателя производится с усреднением в 3 секунды.

4. Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения K _U(n) – показывает относительную величину отдельной n-ой гармоники в питающем напряжении. Усреднение производится также за 3 секунды

5. Коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям K_{2 U} и K _0U показывают степень несимметрии линейных и фазных напряжений в точке измерения. Для расчета этих коэффициентов используются симметричные составляющие напряжений: прямая, обратная и нулевая последовательности. Расчет проводится с усреднением в 3 секунды.

6. Отклонение частоты Δ f – показывает степень отклонения частоты питающего напряжения от номинального уровня 50 Гц. Расчет показателя выполняется с усреднением в 20 секунд.

7. Кратковременная и длительная дозы фликера Р _St и Р _Lt – показывают степень восприятия человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети. Доза фликера является в своем роде обобщенным показателем, учитывающим как амплитуду колебаний напряжения, так и их частоту.

 

Доза фликера является наиболее сложным показателем качества электроэнергии с точки зрения вычисления. Существует отдельный государственный стандарт ГОСТ Р 51317.4.15-99 [2], в котором приведено описание структуры фликерметра, рассмотрены технические требования и методы испытания данного прибора. Расчет параметров P _St и P _Lt производится в два этапа: 1) вначале рассчитывается мгновенный фликер путем пропускания сигнала нормированного действующего значения напряжения через последовательную цепочку из фильтров высоких и низких частот; 2) затем с помощью специальной программы – «классификатора» выполняется статистическая обработка кривой мгновенного фликера и строится интегральная плотность вероятности, из которой определяются заданные уровни фликера и рассчитывается его кратковременная доза.

Блок-схема фликерметра, реализующая алгоритмы по ГОСТ Р 51317.4.15-99, приведена на рис. 1.2. В блоке 1 осуществляется расчет действующих значений напряжения за полпериода основной частоты и в блоке 2 приведение к базовому уровню напряжения фликерметра 230 В. Блоки 3 и 4 реализуют частотную характеристику, воспроизводящую восприимчивость человеческого глаза к мерцаниям светового потока. Выход блока 4 фиксирует значения мгновенного фликера, которые поступают блок статистической обработки 5, где происходит их классификация по заранее определенным уровням, строится распределение плотности вероятности мгновенного фликера и подсчитывается кумулятивная вероятность, которая на уровне 95% определяет кратковременную дозу фликера P _St.

Необходимо отметить, что соблюдение показателя P _St особо важно в точках общего присоединения резкопеременной нагрузки (дуговые сталеплавильные печи, прокатные станы, сварочные установки и т.д.) и чувствительных потребителей электроэнергии (городской массив, освещение бытовых помещений на предприятиях и т.д.). Также довольно часто этот показатель используется при оценке эффективности работы устройств динамической компенсации реактивной мощности резкопеременной нагрузки, например, статических тиристорных компенсаторов (СТК) дуговых сталеплавильных печей. В этом случае рассчитывают коэффициент подавления фликера, равный отношению P _St1 при выключенном компенсаторе к величине P _St2 при работающем СТК (К _ПФ = P _St1/ P _St2).

Анализ ПКЭ производится специализированными измерительными приборами – анализаторами качества электроэнергии на интервалах времени от 24 часов (минимальное значение) до 7 суток (рекомендуемое значение). Исходной информацией для расчетов являются мгновенные значения линейных (фазных) напряжений в точке общего присоединения потребителей электроэнергии.

При нормировании ПКЭ используют понятия «нормально допустимых» и «предельно допустимых» значений. Нормы для основных ПКЭ приведены на рис. 1.3 и 1.4.

 

 

 

Рис. 1.4. Предельно допустимые размахи изменений напряжения,
при колебаниях, имеющих форму меандра

кривая 1 – для помещений с лампами накаливания, где не требуется
значительное зрительное напряжение; кривая 2 – для помещений,
где требуется значительное зрительное напряжение

Наибольшие значения коэффициентов К _U, К _U(n), К _2U, К _0U, определяемые в течение 24 часов, не должны превышать предельно допустимые значения (рис. 1.3), а значения тех же ПКЭ, определяемые с вероятностью 95 % за тот же период измерений, не должны превышать нормально допустимые значения.

Наибольшие значения размаха изменения напряжения δ U _t и дозы фликера P _St, определяемые за 1 сутки, не должны превышать предельно допустимых значений (рис. 1.3 и 1.4).

Наибольшие и наименьшие значения δ U _t и Δ f, определяемые с учетом знака в течение расчетного периода времени, должны находиться в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями, а верхнее и нижнее значения этих показателей, являющиеся границами интервала, в котором с вероятностью 95%находятся измеренные значения ПКЭ, должны находиться в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями (рис. 1.3).

На рис. 1.5 приведены временные диаграммы напряжения, наглядно иллюстрирующие некоторые показатели качества электроэнергии. В табл. 1.1 перечислены приемники электроэнергии, работа которых негативно влияет на ПКЭ.

Рис. 1.5. Временные диаграммы напряжения с указанием показателей качества электроэнергии

 

Таблица 1.1

Наиболее вероятные виновники ухудшения показателей
качества электроэнергии

Негативное влияние ухудшения ПКЭ заключается в следующем:

1. При уменьшении частоты питающего напряжения в электрических сетях увеличиваются потери активной мощности, растет потребление активной и реактивной мощности от генераторов (например, при снижении f на 1 % потери в сетях увеличиваются на 2%). Для асинхронных двигателей и трансформаторов снижение частоты f при неизменном напряжении приводит к увеличению магнитного потока и, как следствие, увеличение тока холостого хода и потерь в стали.

2. При длительных отклонениях напряжения ухудшается работа электрооборудования, а именно: 1) для осветительных установок – снижение напряжения на 10% приводит к снижению светового потока лам накаливания на 30 %; при увеличении напряжения на 10% срок службы лам сокращается в 5 раз; 2) для нерегулируемых асинхронных двигателей – снижение напряжения на 10% приводит к уменьшению максимального вращающего момента на 19%; 3) в синхронных двигателях при отклонениях напряжения изменяется потребляемая реактивная мощность и соответственно потери активной мощности; при повышении напряжения сети реактивная мощность, отдаваемая в сеть синхронным двигателем, уменьшается, а при понижении напряжения – увеличивается; 4) в вентильных преобразователях при повышении напряжения система автоматического регулирования увеличивает угол регулирования, что приводит к ухудшению коэффициента мощности; так, повышение напряжения на 1% приводит к увеличению потребления реактивной мощности преобразователем на (1÷ 1, 4)%; другие показатели при повышении напряжения улучшаются; выгодно повышать напряжение в допустимых пределах; 5) для дуговых сталеплавильных печей из-за нелинейной зависимости мощности дуг от питающего напряжения даже небольшое снижение напряжения приведет к существенному снижению производительности; например, понижение напряжения на 5% приведет к снижению производительности на 25%.

3. Значительные колебания напряжения сказываются на устойчивости работы синхронных двигателей и генераторов, частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, систем автоматического регулирования перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей, а также в ряде случаев приводят к существенному увеличению дозы фликера в помещениях, где работают люди.

Представляет интерес сравнение отечественных и зарубежных норм на качество электрической энергии. Определяющими в странах Евросоюза являются:

– стандарт EN50160: 1994 «Характеристики напряжения электричества, поставляемого системами распределения общего назначения»;

– стандарт МЭК 1000-2-4: 1994 «Электромагнитная совместимость. Уровни ЭМС на промышленных объектах для низкочастотных помех проводимости».

В последнем стандарте электроприемники промышленных предприятий разделены по уровню ЭМС на три класса в зависимости от видов применяемого электрооборудования:

1. Электроприёмники очень чувствительные к электромагнитным помехам (ЭВМ, вычислительные центры, системы автоматики, аппаратура КИП технологических лабораторий и т. д.).

2. Электроприёмники, не создающие электромагнитных помех и сами не очень чувствительные к ним (общепромышленные механизмы с асинхронными двигателями, работающие с постоянной скоростью - металлорежущие станки, насосы, вентиляторы, электрическое освещение, и т. д.).

3. Электроприёмники, создающие электромагнитные помехи с высоким уровнем (мощные преобразователи тока и частоты, и электросварочные установки, резкопеременная двигательная нагрузка с частыми пусками).

Такие приемники, как электродуговые печи и мощные преобразователи, следует выделить в отдельный класс, уровни ЭМС для которых должны согласовываться с питающими энергосистемами.

Сравнительный анализ российских и европейских стандартов указывает на то, что допустимые нормы качества примерно одинаковы, а в отношении искажения синусоидальности кривой напряжения западные стандарты менее требовательны по сравнению с российскими. Существенное отличие заключается в том, что в европейских стандартах учитывается вероятностный характер появления тех или иных помех, которые «не допускаются в течение 95 % времени в неделю». Такой подход имеет технико-экономическое обоснование.

Действительно, если, например, произойдет однократное десятисекундное превышение предельно допустимого значения несинусоидальности напряжения в течение рабочей смены, то оно не сможет повлиять на производительность агрегата, на который подаётся такое напряжение, и потери электроэнергии, но реализация технических решений, исключающих возможность подобных кратковременных нарушений, требует значительных затрат. На это неоднократно обращалось внимание перед обновлением очередного стандарта на качество электроэнергии ГОСТ 13109-97, но в окончательной редакции такой вероятностный подход к оценке показателей качества отражения не нашел.

При анализе ПКЭ необходимо использовать специализированные измерительные приборы-анализаторы, входящие в Государственный реестр средств измерений. Соблюдение этого условия служит юридической гарантией достоверности результатов измерений и позволяет использовать их при разрешении споров между энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии. В качестве примера на рис. 1.6 приведены фотографии приборов для измерения показателей качества электроэнергии в трехфазных электрических сетях – американского анализатора ПКЭ Fluke 433 и отечественного измерительного комплекса «НЕВА ИПЭ».

а) б)

Рис. 1.6. Приборы для измерения показателей качества электроэнергии

а – Fluke 433; б – «НЕВА ИПЭ»

В обоих анализаторах имеются блоки гальванической развязки сигналов, быстродействующие аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, осуществляющие обработку измеряемых мгновенных значений напряжений и токов и расчет основных показателей качества электроэнергии. Благодаря наличию внешней флэш-памяти или жесткого диска имеется возможность записи и сохранения большого объема измеренной информации, включая синусоиды токов и напряжений, снятых с высокой частотой дискретизации 0, 4 – 100 МГц.

В данной лабораторной работе поставлена цель разработать математическую модель измерителя ПКЭ, по своим характеристиках приближенного к рассмотренным выше устройствам. Основной информацией для расчета ПКЭ в нашем случае будут служить массивы мгновенных значений токов и напряжений электродуговых печей различной мощности и класса, записанные с помощью быстродействующих регистраторов электрических сигналов с частотами дискретизации не ниже 2 кГц (40 точек на период питающего напряжения). Использование исходных сигналов с данной частотой дискретизации позволит анализировать с достаточной точностью все основные ПКЭ, включая коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и кратковременную дозу фликера.

Реализация модели анализатора ПКЭ будет выполняться в математическом пакете Mathworks Matlab с приложением Simulink, который обладает большими функциональными возможностями для обработки сигналов и создания моделей сложных динамических систем. Благодаря встроенным средствам графического программирования в среде Matlab будет возможно реализовать структурные схемы измерительных блоков, где будут наглядно отображены все основные операции преобразования сигналов и вычисления ПКЭ.