Проблемы электроснабжения городов-миллионников

Проблемы электроснабжения городов-миллионников

Введение

электрический энергия качество

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при определенных показателях КЭ: номинальных частоте, напряжении, и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ. Под термином "качество электрической энергии" понимается соответствие характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества электрической энергии [1].

Электромагнитная совместимость (ЭМС) является современным понятием, объединяющим такие известные электромагнитные явления, как радиопомехи, влияние на сеть, перенапряжения, колебания напряжения сети, электромагнитные влияния, паразитные связи, фон промышленной частоты 50 Гц, воздействия заземления и т.д. Существует несколько определений понятия «Электромагнитная совместимость». Так стандарт VDE 0870 (Общество немецких электротехников) определяет ЭМС как «способность электрического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, не влияя на это окружение, к которому принадлежат также и другие устройства, недопустимым образом» [2].

Электромагнитная совместимость технических средств - способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством [3].

Обеспечение надежного качества электроэнергии ведет к повышению эффективности работы ЭП и электроэнергетических систем (ЭЭС). Решение проблемы КЭ должно опираться на технико-экономическое сопоставление эффекта от мероприятий по улучшению качества и неизбежных при этом дополнительных затрат. КЭ оценивается по технико-экономическим показателям, учитывающим ущерб от некачественной электроэнергии:

- технологический ущерб, обусловленный недоотпуском продукции, расстройством технологического процесса потребителей электроэнергии -- ущерб в системах электроснабжения потребителей;

- электромагнитный ущерб от некачественной электроэнергии, выражающийся в увеличении потерь электроэнергии и нарушении работы электрооборудования - ущерб в электроэнергетике.

Различают четыре вида режимов:

) нормальные режимы, при которых отклонения показателей КЭ от их номинальных значений не выходят за длительно допустимые пределы;

) временно допустимые режимы, характеризующиеся токовыми перегрузками, отклонениями напряжения и т. п., которые либо заложены в проектные расчеты (например, систематические перегрузки во время суточных максимумов), либо допускаются на определенное ограниченное время без существенного ущерба для сети и питаемых от нее приемников;

) аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими недопустимыми явлениями; такие режимы обычно возникают при повреждениях элементов сети (при нарушениях изоляции, при обрыве проводников и т.п.) и имеют переходный (неустановившийся) характер;

) послеаварийные режимы, в которые входят как переходные процессы, возникающие при ручном или автоматическом восстановлении питания (вызванные, например, одновременным самозапуском большого числа ЭП), так и установившиеся режимы в новых, часто ограниченных по мощности условиях питания [4].

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, что проблема анализа качества электрической энергии и поиск решений по повышению качества электрической энергии является востребованной в настоящее время, что делает тему работы «Анализ качества электроэнергии при снабжении города-миллионника и пути его повышения» актуальной.

ГЛАВА 1. Влияние отклонения показателей качества электрической энергии от установленных норм

1.1     Параметры качества электрической энергии

ГОСТ 32144-2013 устанавливает ПКЭ и нормы в точках передачи электрической энергии пользователям электрической энергии низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц. На рисунке 1 представлена структура ПКЭ.

Рис. 1. Структура ПКЭ

Как видно на рисунке, среди основных параметров есть нормируемые, т. е. параметры для которых ГОСТом установлены определенные нормы, а также ненормируемые, т. е. параметры, нормы для которых находятся на рассмотрении. Кроме того, среди ПКЭ выделяют вспомогательные параметры (случайные события).

Нормы КЭ, установленные [1], являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соответствии показателей КЭ установленным нормам обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей потребителей электрической энергии и электрических сетей энергоснабжающей организации.

Требования стандарта не распространяются на электрические сети специального назначения (контактные, тяговые, связи).

Под термином «кондуктивная электромагнитная помеха» в системе электроснабжения понимается электромагнитная помеха, которая распространяется по всем элементам электрической сети.

Понятие «точка общего присоединения» (ТОП) означает точку электрической сети общего назначения, к которой присоединены или технически могут быть присоединены электрические сети других потребителей электрической энергии.

Требования стандарта также не распространяются в случаях форс-мажорных обстоятельств (стихийные бедствия, исключительные погодные условия и др.).

Стандартом не устанавливаются нормы КЭ для режимов вызванных форс-мажорными обстоятельствами (исключительными погодными условиями, стихийными бедствиями и др.). Требования стандарта должны учитываться при эксплуатации и проектировании электрических сетей [5].

Как уже говорилось ранее, ГОСТом установлены основные и вспомогательные ПКЭ. Часть ПКЭ характеризует установившиеся режимы работы электрооборудования энергоснабжающией организации и ЭП и дает количественную оценку по особенностям технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии. К таким ПКЭ можно отнести:

отклонение частоты;

отрицательное отклонение напряжения;

положительное отклонение напряжения;

коэффициент гармонической составляющей напряжения;

суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения;

коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности;

коэффициент несимметрии по обратной последовательности;

кратковременная доза фликера;

длительная доза фликера.

Другая часть ПКЭ характеризует кратковременные помехи, возникающие в электрической сети в результате коммутационных процессов, грозовых атмосферных явлений, работы средств защиты и автоматики в после аварийных режимах. К таким параметрам относятся:

перенапряжения;

провалы напряжения;

импульсные напряжения;

прерывание напряжения.

Для этих показателей ГОСТ не устанавливает допустимых численных значений. Для количественной оценки этих показателей должны измеряться амплитуда, длительность, частота их появления и другие характеристики, установленные, но не нормируемые стандартом. Статистическая обработка этих данных позволяет рассчитать обобщенные показатели, характеризующие конкретную электрическую сеть с точки зрения вероятности появления кратковременных помех [6].

Для оценки соответствия ПКЭ нормам ГОСТом устанавливается расчетный период, равный 7 суткам.

Рассмотрим подробнее ПКЭ и нормы, установленные ГОСТом.

Основные параметры:

)        Отклонение частоты.

Показателем КЭ, относящимся к частоте, является отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения, ∆f, Гц

, (1)

где - значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале времени 10 с в соответствии с требованиями [7], подраздел 5.1;

- номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц. Номинальное значение частоты напряжения электропитания в электрической сети равно 50 Гц.

Для указанного показателя КЭ установлены следующие нормы:

отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения не должно превышать ± 0,2 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и ± 0,4 Гц в течение 100% времени интервала в одну неделю;

отклонение частоты в изолированных системах электроснабжения с автономными генераторными установками, не подключенных к синхронизированным системам передачи электрической энергии, не должно превышать ± 1 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и ± 5 Гц в течение 100% времени интервала в одну неделю.

2)      Отрицательные и положительные отклонения напряжения.

Отрицательные и положительные отклонения напряжения обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети.

 (2)

 (3)

где , - значения напряжения электропитания, меньшие и большие соответственно, усредненные в интервале времени 10 мин в соответствии с требованиями [7], подраздел 5.12;

- напряжение, равное стандартному номинальному напряжению  или согласованному напряжению .

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания  равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трех- фазных систем). В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания .

Для отрицательного и положительного отклонения напряжения установлены следующие нормы: отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального значения или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в течение 7 суток.

3)      Кратковременная и длительная дозы фликера.

Кратковременная доза фликера  измеряется на интервале времени 10 мин, длительная доза фликера  измеряется в интервале времени 2 ч, в точке передачи электрической энергии. Для длительной и кратковременной доз фликера установлены следующие нормы:

кратковременная доза фликера  не должна выходить за предельно допустимые границы - 1,38 (отн. ед.) в течение 100% времени интервала 7 суток;

длительная доза фликера  не должна выходить за предельно допустимые границы 1,0 (отн. ед) в течение 100 % времени интервала 7 суток.

4)      Гармонические и интергармонические составляющие напряжения.

Показателями КЭ, относящимися к гармоническим составляющим напряжения являются [1]:

- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка  в % напряжения основной гармонической составляющей напряжения прямой последовательности в точке передачи электрической энергии;

значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения , % в точке передачи электрической энергии.

Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:

а) значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблицах 1-3, в течение 95 % времени интервала в в течение 7 суток;

б) значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблицах 1-3, увеличенных в 1,5 раза, в течение 100 % времени каждого периода в течение 7 суток;

в) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблице 4, в течение 95 % времени интервала в течение 7 суток;

г) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения , усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать значений, установленных в таблице 5, в течение 100 % времени интервала в течение 7 суток.

Таблица 1 Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения не кратных трем .

Таблица 2 Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения, кратных трем .

Таблица 3 Значения коэффициентов четных гармонических составляющих напряжения.

Таблица 4 Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения.

Таблица 5 Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения.

Допустимые уровни интергармонических составляющих напряжения в настоящий момент не регламентируются и находятся на рассмотрении.

)        Несимметрия по нулевой и обратной последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений вызвана несимметричными нагрузками электроприемников или несимметрией элементов системы электроснабжения.

Вспомогательные параметры (случайные события):

)        Прерывания напряжения.

Прерывания напряжения перебоям напряжения, созданным преднамеренно в том случае, если абонент оповещен о предстоящем перебое напряжения. В тоже время, прерывание напряжения можно отнести к случайным явлениям, если перебой напряжения был вызван внешним воздействием, влиянием электромагнитных помех или отказом оборудованя.

)        Провалы напряжения.

Провал напряжения (внезапное кратковременное снижение напряжения) возникает в результате дефектов в системе электроснабжения или электроустановках потребителей, или же в результате подключения электропотребителя большой мощностью.

)        Перенапряжения.

Прерывание напряжения возникает, как правило, в результате переключения или отключения нагрузки. Перенапряжение может возникать в электрической сети как между фазными проводниками, так и между фазным проводником и защитным проводником.

В таблице 6 приведена сводная информация об основных ПКЭ и нормах КЭ.

Таблица 6 Основные ПКЭ и нормы КЭ.

Доза фликера, отн. ед.: кратковременная

длительная

-

,38

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения , %По таблицам

-3По таблицам

.2       Причины отклонения параметров качества электрической энергии от установленных норм

В таблице 7 представлены основные свойства электрической энергии, параметры качества и основные виновники, режим работы электрических сетей которых вызывает отклонение параметров КЭ от установленных норм.

Таблица 7 Параметры КЭ и основные причины их отклонения от установленных норм

.2.1 Установившееся отклонение напряжения: положительное и отрицательное

Положительное и отрицательное отклонение напряжения вызвано суточными, технологическими, сезонными изменениями электрической нагрузки потребителей. К таким изменениям можно отнести: регулирование напряжения генераторами электрических станций и подстанций энергетических систем, изменение мощности компенсирующих устройств в электрической сети, изменение схемы и параметров электрической сети.

Превышение фактического значения отрицательного отклонения напряжения от установленных норм:

ухудшение пуска, увеличение токов в обмотке электрических двигателей, что снижает срок ее службы, соответственно, снижая срок службы самого двигателя;

перегрузка преобразователей, регулируемых выпрямителей, и стабилизаторов;

Превышение фактического значения положительного отклонения напряжения от установленных норм:

увеличение расхода электрической энергии, увеличение реактивной мощности электрических двигателей, пробои преобразователей, выпрямителей, стабилизаторов.

Причинами несоответствия значений отрицательного и положительного отклонений напряжения могут быть:

неправильно выбранный коэффициент трансформации силового трансформатора 6-10/0,4 кВ;

непроведенное своевременно сезонное переключение отпаек силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ;

несимметричный режим работы электрических сетей 0,4 кВ;

чрезмерное падение напряжения в распределительных сетях;

отсутствие трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой в центре питания;

неправильно заданные уставки регулирующих преобразователей на силовых трансформаторах, автотрансформаторах и генераторах

увеличение разрешенной мощности электропотребитилей у абонентов;

пониженная пропускная способность питающих сетей и др.

.2.2 Колебания напряжения

Колебания напряжения характеризуются следующими показателями:

размахом изменения напряжения;

кратковременная и длительная дозы фликера.

ГОСТом устанавливаются две характеристики дозы фликера: кратковременная (время наблюдения 10 мин.) и длительная (2 час.).

Колебания напряжения возникают в случае резкого изменения нагрузки на определённом участке электрической сети. К таким случаям можно отнести включение асинхронного двигателя большой мощностью, сопровождающееся скачками активной и реактивной мощности. Колебания напряжения распространяются с затуханием колебаниц по амплитуде в сторону системы электроснабжения от осточника самих колебаний. Коэффициент затуханий, при этом, увеличивается с увеличением системы электроснабжения.

1.2.3 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями КЭ:

коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Главная причина искажения синусоидальности кривой напряжения заключается в использовании электроприемников с нелинейной нагрузкой. К таким электроприемникам можно отнести: сталеплавильные и электродуговые печи, установки контактной и дуговой сварки, вентильные преобразователи, газоразрядные лампы и др.

Уровень искажений электронных приемников и газоразрядных ламп невелик, однако, с учетом их большого количества в электрических сетях они оказывают большое влияние. В процессе функционирования такие устройства потребляют активную мощность основной частоты, часть которой расходуется на покрытие потерь и совершение активной работы, другая часть при этом, образует поток высших гармоник, который поступает в систему электроснабжения и распространяется по ней, оказывая влияние на другие элеткроприемники.

.2.4 Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

К источникам несимметрии напряжений и токов относят следующие:

нетранспонированные линии электропередачи и неравномерно присоединенные однофазные бытовые нагрузки, создающие систематическую несимметрию напряжений;

разновременно включающиеся по фазам бытовые нагрузки и др., создающие случайную несимметрию напряжений.

потребители электрической энергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях при обрыве фазы, рабочего нуля или несимметричных коротких замыканиях.

.2.5 Провал напряжения

Провал напряжения характеризуется длительностью провала напряжения.

Провал напряжения - неожиданное снижение напряжения амплитудой боллее 10% номинального значения, после которого следует восстановление уровня напряжения до первоначального значения или близкого к нему через короткий промежуток времени (от 10 миллисекунд до нескольких десятков секунд).

Длительность провала напряжения - промежуток времени между моментом резкого снижения напряжения и моментом восстановления уровня напряжения до первоначального уровня или близкого к нему.

Причиной провала напряжения могут послужить электромагнитные переходные процессы вследствие короткого замыкания, обрыва нулевого провода или же коммутации оборудования.

.2.6 Импульсное напряжение

Импульс напряжения - внезапное изменение уровня напряжения в на промежуток времени до нескольких миллисекунд, за которым следует восстановление его уровня или близкого к нему.

Импульс напряжения характеризуется такими свойствами как показателем импульсного напряжения (в В, кВ) и длительностью фронта импульса (в сек.) - обычно не более 5мс.

.3       Последствия отклонения параметров качества электрической энергии от установленных норм

Параметры качества электрической энергии, такие как, положительное отклонения напряжения, отрицательное отклонение напряжения, отклонение частоты, несинусоидальность напряжений и несимметрия напряжений, влияют на потери электроэнергии в электрических сетях различного уровня напряжения.

В состав фактических потерь электрической энергии входят такие виды потерь, как: технические, технологические и коммерческие. Фактические потери определяют как разность количества электрической энергии, поступившей в сеть, и количества электрической энергии, отпущенной из сети и оплаченной потребителем (абонентом).

Технические потери ΔW_т , вызванные расходом электрической энергии на собственные нужды электрической подстанций W_СН, и потери W_м, вызванные погрешностью измерительного оборудования электрической подстанции (приборы учета электрической энергии, измерительные трансформаторы тока и напряжения), составляют технологические потери, потому, что они вызваны технологическими потребностями в электрической энергии в результате процесса передачи электрической энергии по распределительным сетям и измерительного коммерческого учета ее количества поступления в сеть и отпуска потребителям. Такие потери электрической энергии, как коммерческие, равные , вызваны влиянием «человеческого фактора» и включают в себя случаи несанкционированного подключения к электрическим сетям новых потребителей и хищения электроэнергии, а также неоплату потребленной энергии ее потребителями.

В составе технологических потерь можно условно выделить дополнительные виды потерь, так называемые «нерациональные», обусловленные работой оборудования электрической подстанции в режимах, отличным от номинального и нормируемого. Одной из причин возникновения таких потерь электрической энергии является отклонение параметров КЭ от норм, установленных [1].

Отклонение параметров КЭ от установленных норм приводит к появлению дополнительных потерь электрической энергии. К таким потерям можно отнести объем электрической энергии, качество которой не соответствует нормативным документам или договору энергоснабжения. При этом, в таких случаях, абонент в праве не оплачивать этот объем электрической энергии. В настоящее время такая составляющая потерь при расчетах за электроэнергию не учитывается.

Дополнительные технические потери в электрической сети могут быть вызваны несинусоидальностью напряжений. При значении коэффициента несинусоидальности напряжения менее 5% дополнительные технические потери незначительны, а при возрастании K_U до 7-15%, потери от высших гармонических составляющих напряжения могут достигать 10-12% суммарных потерь мощности при ее перечаче. Максимальные потери электрической энергии от высших гармоник в системе электроснабжения возникают в резонансных режимах.

Несоответствие коэффициента несимметрии напряжения от установленных норм приводит к увеличению фактических потерь мощности и электроэнергии в электрической сети во всех ее элементах, что обусловлено протеканием токов нулевой и обратной последовательности. Например, при значении коэффициента несимметрии по обратной последовательности  добавочные потери в обмотках двигателей переменного тока ΔP_доп составляют около 8% всех потерь прямой последовательности ΔP_осн, а при  ΔP_доп равны 50% потерь прямой последовательности ΔP_осн [9].

Таким образом, для анализа и оценки эффективности распределения и передачи электрической энергии при отклонении параметров КЭ от установленных норм необходимо учитывать и ее дополнительные нерациональные потери.

Влияние отклонения напряжения на работу электроприемников.

ГОСТ 32144-2010 устанавливает на зажимах электроприемника допустимое установившееся отклонение напряжения в пределах 10% от номинального напряжения электрической сети (положительное и отрицательное отклонение напряжения).

Положительное отклонение напряжения приводят к снижению количества потерь напряжения и увеличению потерь мощности в электрических сетях, увеличению производительности механизмов с приводами переменного тока. Однако, стоит заметить, что срок службы электроприемников при этом сокращается. Сильнее всего это выражается на продолжительности работы ламп накаливания. Отрицательное отклонение напряжения, как правило, сказывается на снижении производительности электроприемников, увеличении потерь напряжения и снижении потерь мощности.

Для анализа и оценки возможного ущерба от отклонения вышеуказанных параметров КЭ пользуются экономическими характеристиками, отражающими зависимость возможного ущерба от значения отклонения напряжения на вводах электроприемников.

Влияние отклонения напряжения от установленных норм на потребляемую электроприемниками мощность характеризуют статическими характеристиками по напряжению. Эта зависимость, как правило, нелинейная. При небольшом отклонении напряжения его можно представлять в виде линейных зависимостей. Вид статической характеристики по напряжению характеризует регулирующий эффект нагрузки. Под термином «регулирующий эффект нагрузки» понимают изменение потребляемой полной (активной и реактивной) мощности в процентах при отклонении напряжения на 1%.

При отрицательном отклонении напряжения регулирующий эффект нагрузки способствует поддержанию уровня напряжения на приемном конце линии, т.е. на нагрузке, из-за снижения потребления мощности и, следовательно, потерь напряжения в электрической сети. Этот случай демонстрирует положительный регулирующий эффект нагрузки.

Рассмотрим влияние установившегося отклонения напряжения на работу асинхронного двигателя. Известно, что при отрицательном отклонении напряжения на зажимах двигателя на 15% от его номинального значения, электромагнитный момент снижается до 72% номинального. При длительном режиме работы при отрицательном отклонении напряжения рвном 10% срок службы асинхронного двигателя сокращается в два раза. Положительное отклонение напряжения приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности, что вызывает потери в распределительной электрической сети. При положителньом отклонении напряжения равном 1% потребление реактивной мощности (регулирующий эффект) увеличивается на 3% для асинхронных двигателей мощностью 20-100 кВт и на 5-7% для асинхронных двигателей мощностью до 20 кВт [10].

Эффективность работы осветительного оборудования также зависит от уровня напряжения на их зажимах. Установившееся отклонение напряжения оказывает влияние на такие показатели осветительных электроприемников, как световой поток ламп, освещенность территории и срок службы осветительного оборудования.

Световая отдача люминесцентных ламп снижается приблизительно пропорционально увеличению значения отрицательного отклонения напряжения. При отриыательном отклонении напрядения равном более 7-10% пуск и работа люминецентных ламп становятся ненадежными. Стоит заметить, что снижение освещенности рабочего места в результате отрицательного отклонения напряжения может привести к снижению производительности труда.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электроприемников.

Отклонение значения коэффициентов несинусоидальности напряжения по прямой и обратной последовательности влияет на работу всех видов электроприемников. Это вызвано не только дополнительным тепловым воздействием от высших гармоник тока, но, также и тем, что высшие гармоники образуют составляющие прямой последовательности (1, 4, 7-я и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8-я и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трем). Эти последовательности отличаются чередованием фаз тока (напряжения), с чем и связано отличие их влияния на работу электроприемников. В том числе, токи нулевой последовательности создают дополнительный эффект намагничивания стали в электрических машинах, что вызывает ухудшение характеристик этих электроприемников и дополнительный нагрев статоров асинхронных двигателей и магнитопроводов трансформаторов. Чаще всего, высшие гармоники напряжения, в совокупности с основной гармоникой, способствуют увеличению установившегося отклонения напряжения на зажимах ЭП.

Высшие гармоники тока и напряжения оказывают отрицательное воздействие на работу электрооборудования, создавая дополнительные нерациональные потери в электрических двигателях, трансформаторах и электрических сетях, сокращают срок службы изоляции электроприемников, повышают вероятность аварий электрических распределительных сетях, вызывают сбои в работе систем автоматики, релейной защиты, связи и телемеханики.

От высших гармоник тока и напряжения зависит также и значения коэффициента мощности, вращающего момента электрических двигателей. Тем не менее, снижение этих характеристик, даже при коэффициенте несинусоидальности напряжения 10-15%, оказывается незначительным. Уровень дополнительных фактических потерь от высших гармоник в электрических сетях составляет несколько % от величины потерь при синусоидальном напряжении. В сетях крупных промышленных предприятий эти потери могут достигать 10-15% от величины технических потерь [11].

Сильное влияние высшие гармоники оказывают на кабельные линии. Отклонение коэффициента искажения синусоидальности от норм, установленных [1] приводит к преждевременному старению изоляции кабельных линий.

Состояние диэлектрика кабельных лиинй характеризуется величиной тока утечки, определяющим количество потерь в изоляции кабельных линий. Измерениями [9] доказано, что при значении коэффициента искажения синусоидальности 6,85% за 2,5 года значение тока утечки возрастает на 36%, а через 3,5 года увеличивается до 43%.

Увеличение коэффициента несинусоидальности напряжения приводит к старению изоляции электрических машин, трансформаторов, кабельных линий и конденсаторов, что связано с повышенным нагревом токоведущих частей, а также с другими физико-химическими процессами, протекающими вследствие воздействия электрических полей, вызванных высшими гармониками.

Снижение срока службы вращающихся машин связано, прежде всего, превышением температуры обмоток по сравнению с допустимыми значениями, что вызывает преждевременное старение изоляции. Увеличение нагрева обмоток связан с одновременным воздействием температуры окружающей среды, установившимся отклонением напряжения, относительной загрузкой машины по мощности, напряжением обратной последовательности и высших гармоник. Четыре из последних вышеуказанных параметра вызывают увеличение температуры обмоток по сравнению с температурой окружающей среды.

Максимальный нагрев происходит в результате полной загрузки двигателя и максимально допустимом значении отрицательного отклонения напряжения 10%. При таких условиях другие факторы увеличения температуры приведут к недопустимому перегреву обмоток. При снижении уровня загрузки двигателя и увеличении положительного отклонения напряжения на его зажимах возникает запас температурного воздействия, в пределах которого допускается воздействие определенного значения напряжения обратной последовательности и высших гармоник. Ток высших гармоник и обратной последовательности определяется не только значением тока напряжением высших гармоник и напряжением обратной последовательности, но и кратностью пускового тока, поэтому допустимые значения напряжений высших гармоник и обратной последовательности зависят от типа двигателя и его параметров. В результате исследований [12] установлены значения запаса температурного воздействия по загрузке двигателя  и по отклонению напряжения  (таблицы 8-9)

Таблица 8 Запас температурного воздействия по загрузке двигателя

Таблица 9 Запас температурного воздействия по отклонению напряжения

Можно сделать вывод, что допустимые параметры электрической энергии с точки зрения нагрева обмоток электрических машин не ограничиваются допустимыми значениями параметров КЭ, установленными в стандартами для сетей общего назначения.

Дополнительные нерациональные потери активной мощности, вызванные превышением значений коэффициентов искажения синусоидальности и несимметрии, не зависят от загрузки двигателя и определятся формулой [10]:

(4)

где - потери в меди статора при номинальном токе основной частоты;

 - кратность пускового тока при номинальном напряжении основной частоты;

 - коэффициент несимметрии напряжений, равный отношению напряжения обратной последовательности к номинальному;

 - отношение напряжения ν-й гармоники к номинальному; знак «+» под знаком корня соответствует симметричным составляющим гармоник, создающим поля вращения, встречные полю основной гармоники, а знак «-» - попутные.

Для практических расчетов дополнительных потерь можно использовать следующее выражение [11]:

 (5)

где - номинальная мощность машины.

Для асинхронных двигателей значения коэффициентов и  определяют по формулам [13]:

 (6)

 (7)

Коэффициент  зависит от номинальной мощности асинхронного двигателя и определяется выражениями:

(8)

Увеличение нагрева обмоток асинхронного двигателя, вызванное увеличением значений коэффициентов искажения синусоидальности и несимметрии, можно рассчитать по формуле:

(9)

гдеB - тепловой параметр асинхронного двигателя.

Срок службы изоляции можно вычислить при помощи выражения [10]

 (10)

гдеC и b - постоянные коэффициенты для данного вида изоляции;

θ - температура изоляции.

Относительный срок службы изоляции при температуре θ:

 (11)

где - срок службы изоляции при номинальной температуре;

 - превышение температуры.

Чаще используют другую формулу для определения срока службы изоляции:

 (12)

Характеристика, значение которой обратно пропорционально z, называется кратностью снижения срока службы:

 (13)

где - коэффициент искажения.

Для асинхронных двигателей кратность срока службы определяется формулой:

 (14)

Дополнительные нерациональные потери активной мощности в силовых трансформаторах связаны с протеканием в них тока высших гармоник и тока обратной последовательности.

К основным элементам электрической сети, помимо силовых трансформаторов, можно отнести линии электропередачи. Поэтому режимы работы электрических сетей при высоких значениях коэффициентов искажения синусоидальности напряжения и коэффициента несимметрии обусловлены протеканием по линиям токов высших гармоник и токов обратной последовательности.

Суммарные потери в линии электропередачи при несимметричном и несинусоидальном режиме работы электрической сети можно вычислить по формуле:

(15)

где I₁ и I₂ - действующие значения токов прямой и обратной последовательностей.

Влияние несимметрии напряжения на оборудование.

Несимметричный режим работы электрических сетей предприятия обусловлен наличием в системе электроснабжения мощных однофазных потребителей (нагревательных и индукционных плавильных печей, печей электрошлакового переплава, сварочных агрегатов), а также трехфазных потребителей, длительное время работающих в несимметричном режиме. Трехфазная система напряжений может работать в несимметричном режиме при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

В случае работы электрической сети в несимметричном режиме возникают дополнительные потери в отдельных ее элементах, снижается срок службы осветительного оборудования, а также, снижаются экономические показатели работы технологического оборудования.

При работе электрических машин переменного тока в несимметричном режиме возникают магнитные поля, вращающиеся не только в направлении вращения ротора, но и в противоположном. В результате этого эффекта возникает тормозной электромагнитный момент, сопровождаемый дополнительным нагревом активных частей машины, в основном ротора, за счет токов двойной частоты.

В асинхронном двигателе при значении коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности ниже 0,05%, снижение вращающегося момента асинхронного двигателя пренебрежимо мало. В большей мере влияние несимметрии при работе асинхронных двигателей сказывается на увеличении потерь в электродвигателей, и, соответственно, на увеличении нагрева и сокращении срока службы изоляции.

В заключение главы можно сделать вывод, что с учетом процесса постоянного расширения производства, совершенствования технологий, увеличения нагрузки на ЭЭС, возникает проблема необходимости повышения эффективности управления, а, следовательно, и внедрения современных информационных систем мониторинга и контроля основных процессов ЭЭС, в том числе, мониторинга показателей КЭ.

Важной составляющей мониторинга, контроля и управления потоками электроэнергии является оценка КЭ. Значительное число различающихся по области задания показателей качества электрической энергии, с одной стороны, и противоречивость применяемых оценок состояния оборудования, с другой, - приводят к значительным трудностям комплексной оценки энергетической системы в целом, диктуют необходимость и обуславливают целесообразность привлечения для оценки КЭ современных методов обработки информации.

Эффективное управление ЭЭС можно обеспечить только на основе ограниченного до разумных пределов, обусловленных возможностями восприятия и анализа информации человеком, количества непротиворечивых оценок, интегрирующих все сведения о состоянии управляемого объекта в соответствии с принципами интеграции и комплексирования в единую оценку, по которой может быть принято объективное решение по управлению.

Как объект автоматизации ЭЭС представляет собой сложную взаимосвязанную динамическую систему, основными регистрируемыми, контролируемыми и управляемыми координатами которой являются основные показатели качества электроэнергии.

ГЛАВА 2. Анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения городов-миллионников

2.1 Характерные особенности системы электроснабжения городов-миллиоников

В современных отечественных системах электроснабжения городов-миллионников применяют все номинальные напряжения переменного тока - от 0,38 до 220 - 380 В. Напряжения до 1 кВ применяют для распределения электроэнергии в ограниченных районах территории города (десятки - сотни метров), внутри жилых и производственных зданий и для непосредственного присоединения электроприемников. В проектируемых и реконструируемых электрических сетях всех назначений должно применяться линейное напряжение 380 В.

Напряжение 660 В предназначено для применения в системах электроснабжения некоторых промышленных предприятий. В перспективе возможно применение этого напряжения в многоэтажных зданиях большого объема для крупных двигателей централизованных установок кондиционирования воздуха, таких же установок насосов холодной и горячей воды, грузовых и грузопассажирских скоростных лифтов и т. п.; магистральных внутридомовых линий, питающих трансформаторы 660/380 - 220 В, рассредоточенно устанавливаемые по этажам зданий. Напряжения 10(6) - 20 кВ применяют для распределения электроэнергии от источника питания по прилегающей к ним территории города и для питания ТП 10(6) - 20 кВ. Напряжение 10 кВ является основным на современный и ближайший перспективный периоды для вновь сооружаемых и реконструируемых систем электроснабжения городов. Напряжение 6 кВ, как правило, не должно применяться во вновь проектируемых и реконструируемых системах ЭСГ.

Применение напряжения 20 кВ экономически оправдано: при стоимости кабелей, выключателей и трансформаторов этого напряжения не более 120-130% стоимости соответствующего оборудования 10 кВ; в новых районах, питающихся от городских электростанций с генераторным напряжением 20 кВ; при плотностях нагрузки 3040 МВт/км2 и более, при питании от подстанций 220/20 кВ; при комплексном электроснабжении некрупных городов и прилегающих обширных сельскохозяйственных районов от понижающих подстанций 110-220/20 кВ. Номинальное напряжение 110 кВ и выше применяется в системах ЭСГ для внешнего электроснабжения, а также для главного ввода в центральные районы города.

Выбор высших номинальных напряжений связан с выбором числа трансформаций электроэнергии между этими напряжениями и напряжением до 1 кВ; экономически целесообразным является использование двух трансформаций электроэнергии.

Напряжение 35 кВ не рекомендуется для применения в системах ЭСГ как недостаточное по пропускной способности и приводящее, как правило, к необходимости дополнительной трансформации электроэнергии. Напряжения 110 и 220 кВ экономически целесообразно применять для внешнего электроснабжения основной массы средних, больших и крупных городов.

Система электроснабжения многоступенчата и иерархична. Ее можно считать многоуровневой. Выделяют следующие уровни: отдельный электроприемник (первый уровень), распределительный щит напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока (второй уровень), шины низкого напряжения трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ (третий уровень), шины распределительной подстанции (четвертый уровень), шины ГПП или ПГВ (пятый уровень), границы раздела собственности предприятия и электроснабжающей организации (ЭСО) (шестой уровень).

Системы электроснабжения делят на системы внешнего и внутреннего электроснабжения. В свою очередь системы внутреннего электроснабжения делятся на высоковольтные и низковольтные. Система внешнего электроснабжения включает в себя источники питания, пункт приема электроэнергии и питающие линии (линии связи). Система внутреннего электроснабжения включает шины НН пунктов приема электроэнергии (6-10 кВ как правило), РП, КТП, кабельные линии и (или) токопроводы, (высоковольтная), шины НН КТП, шинопроводы, распределительные щиты и шкафы, кабели и провода, электропривод электроприемника (низковольтная).

Системы электроснабжения делятся на ступенчатые (нет РП) и двухступенчатые (есть РП).

Основные требования к системам электроснабжения: надежность электроснабжения, безопасность, экологичность, экономичность, учет технологических особенностей.

Что касается технических аспектов в области развития городских электрических сетей, то главных целевым критерием в этом вопросе является безусловное обеспечение надёжности электроснабжения городских потребителей в соответствии их категорийностью. При этом в обязательном порядке необходимо учитывать повышенные требования к потребителям крупных огородов, которые обусловлены:

высотной застройкой; наличием развитой транспортной инфраструктуры;

множеством особо важных объектов, в том числе относящихся к общественной безопасности и иных категорированных потребителей.

Новое строительство, реконструкция и техническое перевооружение городских электрических сетей, с плотностью нагрузки потребителей значительно превышающих 8 МВт/км2, должно осуществляться путем формирования на территории города «территориальных электрических колец напряжением 35 кВ» (рисунок 2). Кольца состоят из параллельно проложенных двух кабельных линий электропередачи, каждый из которых подключается к разным секциям центров питания напряжением 330 110/35/10 кВ.

В местах слабой концентрации нагрузок потребителей на территории города возможно формирование аналогичных «территориальных электрических колец напряжением 10 кВ» от разных секций центров питания напряжением 110 35/10 кВ.

Количество таких колец на территории города определяется расчетным путем исходя из концентрации нагрузок потребителей, размещения источников питания и категорийности потребителей.

Рис. 2. Территориальные энергетические кольца

К «территориальным электрическим кольцам напряжением 35 кВ» нагрузка потребителей присоединяется посредством упрощенных двухтрансформаторных подстанций напряжения 35/10 кВ, к которым подключаются распределительные пункты 10 кВ.

К «территориальным электрическим кольцам напряжением 10 кВ» нагрузка потребителей подключается по принципу магистрали с отбором мощности через соединительные пункты, к которым подключаются распределительные пункты 10 кВ.

Присоединение крупных промышленных потребителей к соответствующим «территориальным электрическим кольцам» осуществляется по «глубоким вводам» напряжением 35/10 кВ, 35/0,4 кВ или 10/0,4 кВ.

Построение распределительной многолучевой сети напряжением 10 кВ необходимо выполнять по двухлучевой встречной схеме, то есть питание разных секции одной ТП осуществлять от разных (независимых) взаиморезервируемых секций одного или двух РП по разным трассам (рисунок 3).

Рис. 3. Двухлучевая встречная схема

Повышение надежности работы уже существующих, столь разных схем городских электрических сетей, для обеспечения в такой ситуации требований к электроснабжению потребителей 1 и 2 категорий, возможно с использованием аналогичного принципа (что и для новой сети). Для этого необходимо организовывать сетевые поперечные связи между схемами рядом расположенных РП. Назовем условно эти связи поперечными.

В то же время, для решения проблемы сверхнормативной перегрузки оборудования и линий электропередачи в отдельных режимах работы существующей сети, в ряде случаев данного мероприятия может оказаться недостаточно - придется сооружать новые РКЛ для обеспечения питания секций каждого РП от независимых источников. Тем не менее, такие мероприятия несравненно дешевле и реализуются гораздо быстрее, чем строительство новых сетей.

Построение схем городской электрической сети по указанным подходам (принципам) позволяет получить единую распределительную сеть 35, 10 кВ, питание которой осуществляется от нескольких источников. Следовательно, жестко соблюдаются требования обеспечения резервирования нагрузки этих источников и возможности маневра потоками мощностей между ними для решения многих ранее неразрешимых проблем, связанных с загрузкой оборудования.

Реализация изложенных выше схем электроснабжения городской электрической сети возможно только при условии применения высокотехнологичного малообслуживаемого оборудования и устройств.

В распределительных устройствах напряжением 35 кВ упрощенных двухтрансформаторных подстанций напряжения 35/10 кВ и 35/0,4 кВ должен применяться вакуумный реклоузер (выключатель) серии РВА/TEL-35.

Для этих целей разработаны Технические проектные решения в части технико-экономического обоснования и применения рабочей документации по установке вакуумного реклоузера (выключателя) PBA/TEL-35 на существующих подстанциях с высшим и средним напряжением 35 кВ при их реконструкции, техническом перевооружении и модернизации с заменой выключателей 35 кВ и блоков «отделитель - короткозамыкатель», а также устройства пунктов секционирования и резервирования на магистралях и перемычках (ответвлениях) линий электропередачи 35 кВ.

Данные типовые проектные решения могут в полной мере быть использованы при проектировании новых ПС с РУ-35 кВ в качестве блока «вакуумный выключатель 35кВ», а также новых ЛЭП-35 кВ в качестве блока «вакуумный реклоузер 35кВ».

Типовые проектные решения разработаны в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.

Для вводных, секционирующих и отходящих ячеек распределительных устройств напряжением 10 кВ подстанций 35/10 кВ, распределительных и соединительных пунктов напряжением 10 кВ необходимо применять комплектные распределительные устройства серий «Вертикаль» и КРУ/TEL, в которых используется вакуумный выключатель серии ВВ/TEL.

Под эти комплектные распределительные устройства разработаны Типовые проектные решения строительной части закрытых сооружений, строительный объем и площадь застройки которых на 71% и 50% соответственно меньше, чем аналогичных сооружений, где используется традиционное оборудование. Экономический эффект от применения таких закрытых распределительных устройств находится в пределах 300-500 тыс. грн на одно сооружение.

Распределительные устройства напряжением 10 кВ трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ комплектуются КРУ серии ВВН «Вертикаль», в которых используется вакуумный выключатель нагрузки (ВВН). Параметры ВВН определяются применяемыми в нем вакуумными дугогасительными камерами. Значение номинального тока 1000 А и номинального тока отключения 20 кА при номинальном напряжении 10 кВ достигается применением камер нашего производства. На более низкие параметры можно применить иные вакуумные дугогасительные камеры с торцевой контактной системой. Подключение силовых трансформаторов в ТП 10/0,4 кВ осуществляется КРУ серии ВВП «Вертикаль», в котором, в отличие от предыдущей серии, добавлена функция автоматического отключения, то есть вакуумный выключатель, выполняющий функции предохранителя. Приемником такой команды служит небольшой соленоид, управляемый энергией трансформаторов тока при возникновении аварийного режима. Параметры этого комплектного распределительного устройства также определяются вакуумными дугогасительными камерами.

.2 Обзор современных микропроцессорных устройств для контроля качества электрической энергии в системе электроснабжения

При инструментальном обследовании систем электропотреления измеряются следующие параметры (Рисунок 4):

·        расход энергии (активной и реактивной);

·        параметры качества электрической энергии (таблица 1) в течение 7 суток [14];токи нагрузки электрических сетей, трансформаторов и электроприемников;

·        время работы электропотребляющего оборудования.

Расходы активной и реактивной нагрузки записываются на вводах в организацию и вводах отдельных зданий организации (цехов) [15, 16]. Параметры качества электрической энергии фиксируются на вводах в здания в распределительных устройствах за период времени 7 суток (согласно [1]). Токи нагрузки электрических сетей, трансформаторов и электроприемников фиксируются вместе с замерами параметров качества электроэнергии в течение 7 суток.

Основными приборами, которые могут использоваться для исследования систем электроснабжения являются:

·        токоизмерительные клещи;

·        приборы учета электрической энергии;

·        информационно-измерительные системы;

·        анализаторы качества электрической энергии.

.2.1 Сравнение микропроцессорных устройств для анализа качества электрической энергии

В настоящее время существует множество приборов для анализа КЭ, которые имеют свои конструктивные особенности и программное обеспечение для формирования протокола испытаний качества электрической энергии и представления информации о ПКЭ в удобном для пользователя (заказчика) виде.

Рассмотрим подробнее результаты работы приборов для измерения ПКЭ, на примере, Metrel MI 2792A PowerQ4 Plus и на примере приборов серии «Ресурс» (такие как «Ресурс-ПКЭ 1,7» и «Ресурс-UF2M»).

Программное обеспечение, предназначенное для связи Metrel MI 2792A PowerQ4 Plus с ПК и импорта измеренных данных представляет информацию в виде протокола испытаний электрической энергии, а также в виде графиков для более наглядного представления. На рисунках 4-7 более подробно представлены графики и гистограммы.

Рис. 4. График отклонения частоты

На рисунке 4 представлен график отклонения частоты. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых (темно-зеленый цвет) и предельно-допустимых (светло-зеленый цвет) границ. Если же линия графика выходит в область обозначенную белым цветом, это говорит о несоответствии отклонения частоты требования ГОСТа.

Рис. 5. График отклонения напряжения

На рисунке 5 представлен график отклонения напряжения. На вертикальной оси координат представлены единица измерения напряжения - Вольт, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике фазы напряжения показаны разными цветами, а также, визуально обозначена зона предельно-допустимых границ - зеленый цвет. Также, горизонтальной линией обозначена граница провала напряжения.

Рис. 6. Гистограмма гармонических колебаний напряжения

На рисунке 6 представлена гистограмма гармонических колебаний. Для наглядности фазы напряжения обозначены разными цветами. На вертикальной оси координат обозначена единица измерения коэффициента гармонических колебания напряжения - %, на горизонтальной - пронумерованы гармоники.

Рис. 7. Соответствие ПКЭ ГОСТу

На рисунке 7 представлены гистограмма соответствия ПКЭ ГОСТу. На горизонтальной оси координат представлены основные ПКЭ. На вертикальной оси координат показывает нам степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (в %), т. е. если показатель выходит за линию в 100% (нормализованное значение порога) - ПКЭ не соответствует ГОСТу. Для удобство анализа предельно и нормально допустимые границы обозначены разными цветами.

Предлагаемый способ отображения информации имеет свои плюсы и минусы. Достоинства предлагаемого метода:

графики наглядно представляют степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (благодаря цветовым обозначениям нормально и предельно допустимых границ);

графики характеризуют ПКЭ на протяжении всего времени измерений;

гистограммы позволяют анализировать сразу несколько ПКЭ одновременно.

Среди недостатков данного метода можно выделить:

непрактичность гистограмм при использовании нескольких рядов данных (один ряд частично перекрывает собой другой), что затрудняет анализ;

графики не позволяют анализировать несколько ПКЭ одновременно из-за различных единиц измерения ПКЭ;

отсутствие возможности анализа коэффициентов гармонических колебаний на протяжении всего времени измерения (т.к. на гистограмме показаны максимальные значения).

Рассмотрим способ отображения ПКЭ при использовании приборов серии РЕСУРС (таких как «Ресурс-ПКЭ-1,7» и «Ресурс-UF2М»). На рисунках 8-12 представлены графики и гистограммы.

Рис. 8. График отклонения напряжений

На рисунке 8 представлен график отклонения напряжений. На вертикальной оси координат представлены единица измерения отклонения напряжения - %, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике фазы напряжения показаны разными цветами.

Рис. 9. График отклонения частоты

На рисунке 9 представлен график отклонения частоты. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 10. График коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности

На рисунке 10 представлен график коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности. На вертикальной оси координат представлена единица измерения коэффициента несимметрии по нулевой и обратной последовательности - %, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 11. Гистограмма коэффициентов гармонических составляющих напряжения

На рисунке 11 представлена гистограмма коэффициентов гармонических составляющих напряжения. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - номера гармоник. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 12. График кратковременной дозы фликера

На рисунке 12 представлен график кратковременной дозы фликера. На вертикальной оси координат представлена единица измерения дозы фликера - отн. ед., а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Предлагаемый способ отображения информации также имеет свои плюсы и минусы. Достоинства предлагаемого метода:

графики наглядно представляют степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (благодаря обозначениям нормально и предельно допустимых границ в виде жирных линий);

графики характеризуют ПКЭ на протяжении всего времени измерений;

Среди недостатков данного метода можно выделить:

сложность анализа коэффициентов гармонических колебаний напряжения из-за большого количества данных (столбцов) на гистограмме;

графики не позволяют анализировать несколько ПКЭ одновременно из-за различных единиц измерения ПКЭ;

отсутствие возможности анализа коэффициентов гармонических колебаний на протяжении всего времени измерения (т.к. на гистограмме показаны максимальные значения).

.2.2 Обзор анализаторов качества электрической энергии серии «Ресурс»

С учетом большого объема измерений и обработки приоритетными являются портативные микропроцессорные приборы для анализа качества электрической энергии, способные измерять характеристики в течении требуемого периода времени, вести учет активной, реактивной энергии и представлять результаты измерений в удобном для анализа виде. Такими устройствами являются анализаторы ПКЭ серии «Ресурс» (Рисунок 13).

Рис. 13. Анализаторы ПКЭ серии «Ресурс»

Функциональные возможности анализатор ПКЭ «Ресурс-UF2М» (Рисунок 5 - слева)[17]:

·      Измерение ПКЭ по ГОСТ 30804.4.30-2013 (ГОСТ Р 51317.4.30-2008) (класс А), ГОСТ 32144-2013;

·              Измерение параметров напряжения, силы тока, угла фазового сдвига, мощности и энергии;

·              Регистратор результатов измерений;

·              Регистратор аварийных событий;

·              Определение выходной мощности измерительных трансформаторов напряжения;

·              Определение погрешности счетчиков электрической энергии на месте эксплуатации;

·              Сохранение результатов измерений на USB Flаsh-диске;

·              Запись архивных данных на USB Flаsh-диск;

·              Цифровой осциллограф.

Интерфейсы[17]:

·              RS-232 (до 115200 бит/c);

·              RS-485 (до 115200 бит/c);

·              USB порт для накопителя Flаsh-диска.

Благодаря наличию токоизмерительных клещей способен измерять[9]:

.        Параметры мощности:

·        Активная фазная и трехфазная мощность;

·        Реактивная фазная и трехфазная мощность;

·        Полная фазная и трехфазная мощность.

.        Параметры электрической энергии:

·        Активная прямого и обратного направления;

·        Реактивная прямого и обратного направления.

Функциональные возможности «Ресурс-ПКЭ-1.7» (Рисунок 13 - справа)[18]:

·              Измерение ПКЭ по ГОСТ 30804.4.30-2013 (ГОСТ Р 51317.4.30-2008) (классА, S), ГОСТ 32144-2013;

·              Измерение параметров напряжения;

·              Измерение дозы фликера по ГОСТ Р 51317.4.15-99;

·              Регистратор результатов измерений.

Интерфейсы[18]:

·              RS-485 (до 115200 бит/c);

·              RS-232/RS-485 (до 115200 бит/c).

В заключение главы 2 можно сделать вывод, что в системе электроснабжения городов-миллионников присутствуют потребители электроэнергии различных категорий: промышленные и приравненные к ним, производственные сельскохозяйственные, бытовые, общественно-коммунальные. К тому же, каждая категория потребителей электрической энергии обладает своим «набором» электроприемников, обладающими характерными требования к качеству электрической энергии, и в тоже время, могут быть источниками электромагнитных помех, которые затем подаются во «внешнюю» сеть. Это вызывает сложности при проектировании и дальнейшей эксплуатации системы электроснабжения, как отдельных районов, так и отдельных потребителей электрической энергии, что говорит о необходимости контроля параметров качества электрической энергии.

Тем не менее, в настоящее время есть множество микропроцессорных устройств для мониторинга показателей качества электрической энергии (см. рисунок 13), что дает возможность избежать пагубных воздействий от несоответствия определенных показателей качества ГОСТу. Использование такого оборудование специально обученным персоналом на предприятии (в электросетевых, промышленных организациях, или же сторонних - энергоаудиторских или энергосервисных) позволяет повысить энергоэффективность и оптимизировать потребление электрической энергии и снизить издержки при эксплуатации энергетического оборудования.

ГЛАВА 3. Разработка мероприятий по повышению качества электроэнергии систем электроснабжения городов-миллионников

Основной целью разработки и реализации мероприятий по повышению качества электрической энергии является снижение издержек при эксплуатации различных элементов системы электроснабжения - электроприемники и распределительное оборудование [19].

Качество электроснабжения и способ использования энергии способны повлиять на уровень энергоэффективности. Механизмы этого влияния не всегда осознаются; часто им не уделяется должного внимания. Во многих случаях имеют место потери, связанные с передачей избыточной мощности по внешним распределительным сетям или в пределах установки. Потери энергии в распределительной системе предприятия могут приводить к перепадам напряжения, которые, в свою очередь, могут вызывать преждевременный выход из строя электродвигателей или другого оборудования. Кроме того, неоптимальное функционирование энергосистем предприятия способно привести к применению повышенных тарифов на электроэнергию.

Также, отклонние параметров качества электрчиеской энергии, от показателей, установленных [1], влияет не только на функционирование распределительной системы, но и на работу самих электроприеников - снижает срок службы электордвигателей осветительных приборов и других электроприемников.

Формирование основных направлений энергосбережения определяется рядом обстоятельств:

- наличием перспективы реструктуризации обследуемого объекта;

особенностью режима его работы - ведением технологического процесса;

величиной ожидаемого потенциала энергосбережения (в энергетических показателях, например, т у.т., кВт_*ч, м³ и т.п.);

экономическим потенциалом энергосберегающей политики (снижения энергетических затрат в денежном исчислении);

приоритетами инновационной деятельности;

инвестиционными возможностями.

По объему затрат все традиционные мероприятия программы энергосбережения классифицируются по трем критериям (Рисунок 14):

- беззатратные и низкозатратные - осуществляемые в порядке текущей деятельности предприятия;

среднезатратные - осуществляемые, как правило, за счет собственных средств предприятия;

высокозатратные - требующие дополнительных инвестиций, осуществляемые, как правило, с привлечением заемных средств.

Рис. 14. Классификация энергосберегающих мероприятий

В свою очередь все затратные мероприятия можно разделить на организационные и технические. Независимо от состава и характера возможных энергосберегающих мероприятий (например, по величине затрат, сроку окупаемости, величине достигаемого эффекта, социальной значимости, экологическому характеру и т.п.), выбор приоритетности их внедрения связан с решением противоречивых задач. В частности, возможны случаи, когда малозатратные мероприятия имеют значительный срок окупаемости, и, наоборот, многозатратные мероприятия окупаются достаточно быстро.

Оптимального решения при выборе приоритетности внедрения можно достигнуть путем сопоставления роли (доли) конкретного мероприятия как в общем значении экономического потенциала энергосбережения, так и в суммарных затратах на все энергосберегающие мероприятия. Чем выше это соотношение, тем предпочтительнее данное мероприятие. Зная свои инвестиционные возможности, предприятие может из ранжированного таким образом перечня выбирать наиболее приоритетные для него технические мероприятия или организационные решения.

Для анализа были выбраны точки измерений в системе электроснабжения на ПС-110/10 кВ и ТП-10/0,4 кВ. Схемы системы электроснабжения и результаты измерений приведены в приложениях (Приложения 1 и 2), а также применен метод составления компонентного портрета качества электрической энергии (Приложение 3) [21-24].

На основе анализа результатов проведенных измерений далее предлагаются рекомендации по улучшению показателей качества электрической энергии.

3.1 Технико-экономическое обоснование применения организационных мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников

.1.1 Поддержание уровня квалификации персонала

Наличие квалифицированных кадровых ресурсов является необходимым условием внедрения и осуществления менеджмента энергоэффективности. Сотрудники, деятельность которых может повлиять на уровень энергопотребления и качество электрической энергии, должны проходить соответствующее обучение [20].

Суть рекомендованного мероприятия заключается в поддержании на определенном уровне квалификации сотрудником предприятия в сферах энергопотребляющих систем и энергоэффективности. Эта цель достигается при помощи следующих методов:

обучение персонала предприятия (по специальности «контроль качества электрической энергии» или аналогичной) и/или привлечение обученного персонала сторонней организации. Предпочтительно проводить обучение в специализированных аккредитованных организациях, выдающих соответствующие документы (о повышении квалификации) по окончанию обучения. При необходимости, обучение можно провести силами собственных специалистов предприятия, имеющих соответствующие навыки;

привлечение персонала предприятия для решения нестандартных задач (обследований, расследований по конкретным вопросам);

обмен квалифицированными специалистами между технологическими установками (комплексами);

привлечение квалифицированных консультантов в сторонних специализированных организациях для проведения обследований.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

3.1.2 Эффективный контроль технологических процессов

Целью данного мероприятия является обеспечение эффективного контроля за состоянием технологического процесса при помощи таких методов, как:

·   поддержание систем, обеспечивающих знание, понимание и выполнение персоналом установленных процедур;

·        обеспечение выявления ключевых параметров технологического процесса, влияющих на энергопотребление, их оптимизации с точки зрения энергоэффективности, а также их мониторинга;

·        документирование этих параметров или ведение соответствующих записей.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

.1.3 Техническое обслуживание

Организованное техническое обслуживание оборудования, потребляющего энергию и/или управляющего ее потреблением, а также наличие процедур, обеспечивающих ремонт указанного оборудования при первой возможности, являются важными факторами достижения и поддержания высокого уровня энергоэффективности.

Организованное техническое обслуживание оборудования состоит в организации технического обслуживания в пределах установки с целью оптимизации энергоэффективности при помощи всех перечисленных ниже методов:

·   четкое распределение ответственности за планирование и осуществление технического обслуживания;

·        формирование структурированной программы технического обслуживания, основанной на технической документации оборудования, нормативах и т.д., а также данных о любых отказах оборудования и их последствиях. Некоторые виды технического обслуживания целесообразно осуществлять во время плановых остановов оборудования;

·        поддержка программы технического обслуживания посредством надлежащей системы ведения записей и диагностических проверок;

·        выявление на основе результатов планового технического обслуживания, а также отказов и случаев нештатного функционирования оборудования возможных причин снижения энергоэффективности, а также возможностей для ее повышения;

·        выявление утечек, неисправного оборудования, изношенных подшипников и других факторов, которые могут повлиять на энергопотребление, и исправление их при первой же возможности.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем. Там, где это применимо, должен быть обеспечен баланс между оперативным устранением неисправностей и необходимостью обеспечения качества продукции, стабильности производственного процесса, а также здоровья и безопасности персонала при выполнении ремонтных работ на действующем предприятии (где может находиться оборудование с движущимися частями, имеющее высокую температуру и т.п.).

3.1.4 Мониторинг и измерения

Мониторинг и измерения показателей качества электрической энергии представляют собой важную часть этапа «проверки» в цикле «планирование-осуществление-проверка-корректировка», на котором основан, в частности, менеджмент энергоэффективности. Кроме того, они являются важной составляющей эффективного контроля технологических процессов.

Без применения систем мониторинга невозможно оценить текущее состояние показателей качества электрической энергии в системе электроснабжения, что делает задачу улучшения показателей качества электрической энергии невыполнимой.

Цель предложенного мероприятия состоит в определении и соблюдении документированных процедур регулярного мониторинга и измерения ключевых характеристик производственного процесса и видов деятельности, которые могут оказывать значительное влияние на энергоэффективность.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данного метода зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

.2 Технико-экономическое обоснование применения технических мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников

.2.1 Компенсация реактивной мощности

Анализ результатов измерений показателей качества электрической энергии показывает, что значение коэффициента реактивной мощности на ТП 10/0,4 кВ ниже оптимального (Таблица 10). Хотя данный показатель электрической энергии не регламентируется [1], его значение имеет весьма большое значение

На основании [30] могут быть введены экономические требования к режиму потребления реактивной мощности.

Согласно данному приказу, значения соотношения потребления активной и реактивной мощностей (tgφ) определяются в виде предельных значений коэффициента реактивной мощности (Таблица 10), потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, соблюдение которых обеспечивается покупателями электрической энергии (мощности) - потребителями услуг по передаче электрической энергии посредством соблюдения режимов потребления электрической энергии (мощности) либо использования устройств компенсации реактивной мощности.

Таблица 10

Как видно в Приложении 3, значение этого показателя на момент измерения на ТП 10/0,4 кВ не достигал оптимальных значений, что говорит о неэффективной эксплуатации системы электронсабжения.

Многие широко распространенные виды электрического оборудования обладают не только активным, но и индуктивным сопротивлением. В качестве примеров можно назвать, в частности:

·   однофазные и трехфазные электродвигатели переменного тока;

·        приводы с переменной скоростью;

·        трансформаторы;

·        разрядные лампы высокой интенсивности.

При работе всех этих устройств потребляется как активная, так и реактивная электрическая мощность. Активная мощность преобразуется в полезную работу, в то время как реактивная мощность расходуется на создание электромагнитных полей. Реактивная мощность совершает периодические колебания между генератором и нагрузкой (с частотой источника). Конденсаторные батареи и подземные кабели также вносят вклад в формирование реактивной мощности.

Полная мощность рассчитывается как геометрическая сумма активной и реактивной мощности, представленных взаимно перпендикулярными векторами. Именно полная мощность определяет требования к генерирующим, сетевым и распределительным мощностям. Это означает, что генераторы, трансформаторы, линии электропередач, распределительное оборудование и т.д. должны быть рассчитаны на более высокую номинальную мощность, чем в том случае, если бы нагрузка потребляла только активную мощность.

Вследствие этого компании, эксплуатирующие генерирующие и передающие мощности (это может быть как внешний поставщик, так и предприятие, производящее электроэнергию для собственных нужд) сталкиваются с необходимостью дополнительных затрат на оборудование и дополнительными потерями энергии. Поэтому внешние поставщики взимают с потребителей дополнительную плату в том случае, если доля реактивной мощности превышает определенное пороговое значение. Как правило, в качестве порогового уровня выбирается величина cos φ (запаздывания тока по фазе относительно напряжения) в диапазоне между 1,0 и 0,9, при которой негативные эффекты, связанные с реактивной мощностью, могут считаться несущественными.

Рис. 15 - Активная, реактивная и полная мощность (среднее значение)

Так, в результате испытаний электрической энергии на ТП 10/0,4 кВ (Приложение 3) было установлено, что (Рисунок 15):

·   средняя активная мощность равна 12,839 кВт, средняя полная мощность равна 17,843 кВА, и, следовательно:

·        коэффициент мощности равен 12,839/17,843 = 0,72.

Это означает, что только 72% тока, поставляемого энергетической компанией, используется для совершения полезной работы.

Корректировка коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности), например, посредством подключения конденсаторов параллельно нагрузке, позволяет устранить или снизить потребность в производстве и передаче реактивной мощности. Средства корректировки коэффициента мощности оказываются наиболее эффективными в том случае, если они применяются в непосредственной близости от нагрузки и основаны на современных технологиях.

Поскольку коэффициент мощности может изменяться со временем вследствие изменения характеристик и состава оборудования, представляющего собой индуктивную нагрузку, его измерение должно производиться с определенной периодичностью. Период между измерениями зависит от характера предприятия и использования оборудования и, как правило, находится в диапазоне от 3 до 10 лет. Кроме того, конденсаторы, используемые для компенсации реактивной мощности, со временем изнашиваются и, как следствие, также нуждаются в периодических проверках (легко наблюдаемым признаком износа является нагрев конденсатора при работе).

В качестве прочих мер, направленных на повышение коэффициента мощности, можно, в частности:

·   свести к минимуму работу двигателей на холостом ходу или со значительной недогрузкой;

·        избегать эксплуатации оборудования при напряжении, превышающем номинальное;

·        по мере исчерпания ресурса или выхода из строя традиционных электродвигателей заменять их энергоэффективными;

·   даже в случае энергоэффективных двигателей коэффициент мощности существенно зависит от вариаций нагрузки. Двигатель, спроектированный для работы с высоким

·        коэффициентом мощности, должен работать при мощности, близкой к номинальной, для реализации этого потенциала.

В таблице 11 [31] представлен потенциальный эффект доведения среднего коэффициента мощности в промышленном секторе ЕС до 0,95.

Таблица 11

ТВт·ч соответствует энергопотреблению более 8 млн. домохозяйств или мощности примерно 2600 ветрогенераторов, около 10 ТЭС на природном газе и 2-3 АЭС. Эта величина соответствует также выбросам более 12 Мт CO2.

Согласно оценкам, улучшение среднего коэффициента мощности во всех государствах - членах ЕС привело бы к сбережению 31 ТВт·ч электроэнергии, хотя часть этого потенциала уже используется. Расчеты были выполнены исходя из общей величины потребления электроэнергии в промышленности и секторе услуг ЕС-25 в 2002 г. 1788 ТВт·ч, причем из этой величины на промышленность пришлось 65 % [31, 32].

Ключевые факторы рекомендованного мероприятия представлены на рисунке 16.

Рис. 16. Компенсация реактивной мощности

3.2.2 Гармоники

Анализ результатов измерений показателей качества электрической энергии (Приложение 2) позволяет сделать вывод об отклонении коэффициентов гармонических колебаний напряжения от установленных норм [1]. Особенно это хорошо видно на компонентном портрете качества электрической энергии (КПКЭ) [21-29] в Приложении 4.

Компонентный портрет качества электроэнергии описывающий коэффициенты гармонических колебаний напряжения в Приложении 4 представлен в пространстве 39-ти координатных осей в соответствии количеством гармонических составляющих, подвергающихся анализу при мониторинге показателей качества электрической энергии.

Внешний контур КПКЭ определяется номинальными значениями показателей и соответствует уровню индикатора качества электрической энергии, равному единице. По внешнему контуру КПКЭ обозначены идентификаторы ПКЭ. Предельно-допустимые отклонения ПКЭ определяются нулевыми значениями индикатора качества электрической энергии. На КПКЭ они отображены линией нулевого уровня (внутренний контур КПКЭ).

Годограф ИКЭ представляет собой линию, проходящую через точки компонентных осей текущих значений ИКЭ. Показатели, выходящие за линию нормально-допустимых границ, обозначены желтыми маркерами. Показатели, выходящие за границы предельно-допустимых значений, обозначены красными маркерами, а также, их наименования дополнены восклицательными знаками (Наименование_!!!). Наиболее критичные значения имеют гармоники: фазное А - 9, 15, 21; фазное В - 9, 15, 21; фазное С - 9.

Таким образом, как показывают проведенные исследования, разработанные метод, алгоритм, методика и математические модели обеспечивают трансформацию информации о ПКЭ, задаваемых интервальными, верхними и нижними предельно-допустимыми значениями, в единую область пространства. Введённый компонентный портрет качества электроэнергии и методика его построения позволяют провести комплексирование информации о ПКЭ в единой области ИКЭ и дать сравнительную оценку разнородных показателей, снижают риски и повышают оперативность управления ЭЭС.

Некоторые виды электротехнического оборудования, представляющего собой нелинейную нагрузку, могут приводить к возникновению гармоник (искажений синусоидальной формы волн напряжения или тока) в электрических сетях. К нелинейной нагрузке относятся, в частности, выпрямители, некоторые системы электрического освещения, электродуговые печи, импульсные источники питания, компьютеры и т.д [29, 30].

Для подавления (устранения или снижения) гармоник могут использоваться фильтры. Такие стандарты, как [31] и [32] требуют оборудования импульсных источников питания фильтрами гармоник.

Гармоники не могут быть обнаружены при помощи обычного амперметра; для этого необходимо оборудование, позволяющее измерять истинные среднеквадратичные значения (см. Главу 2).

Ключевые факторы рекомендованного мероприятия представлены на рисунке 17.

Рис. 17. Фильтры гармонических колебаний

3.2.3 Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов

Еще одним немаловажным показателем эффективного функционирования системы электроснабжения является загрузка силовых трансформаторов.

Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Широкое распространение трансформаторов обусловлено, в частности, тем, что электроэнергия передается и распределяется при более высоком уровне напряжения, чем уровень, необходимый для питания промышленного оборудования, что позволяет снизить потери при передаче.

Как правило, трансформатор является статическим устройством, состоящим из сердечника, набранного из ферромагнитных пластин, а также первичной и вторичной обмоток, расположенных с противоположных сторон сердечника. Важнейшей характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который определяется как отношение выходного напряжения к входному - V2/V1 [37].

В результате испытаний качества электрической энергии (Приложение 3) было установлено, что значение установившегося отклонения напряжения превышает нормы, установленные [1]. Причиной этого скорее всего является то, что на ТП-12 10/0,4 кВ один из силовых трансформаторов - ТМ-250-10/0,4 кВ (Рисунок 18) работает не в оптимальном режиме - уровень его загруженности имеет максимальное значение 32%, в то время как, большую часть времени этот показатель еще ниже, что говорит о неэффективном использовании оборудования. Потери в трансформаторах подразделяются на два основных типа - «потери в стали» (т.е. в сердечнике) и «потери в меди» (т.е. в обмотках). Потери в стали вызываются гистерезисом и вихревыми токами в ферромагнитных пластинах сердечника; их величина пропорциональна V2 и составляет примерно 0,2-0,5 % номинальной мощности трансформатора Pn (P2). Потери в меди связаны с сопротивлением медных обмоток и выделением джоулева тепла в них; величина этих потерь пропорциональна I2, и составляет примерно 1-3% номинальной мощности Pn (при стопроцентной загрузке трансформатора).

Рис. 18. Схема трансформатора

При эксплуатации трансформатора в реальных условиях средний коэффициент загрузки х всегда меньше 100 % (Pэфф. = xPn). Можно показать, что зависимость между КПД трансформатора и коэффициентом загрузки имеет вид, показанный на рис. 19 (для ТМ-250-10/0,4 кВ). В данном случае КПД достигает максимума при величине коэффициента загрузки около 40% [38].

Рис. 19. Уровень потерь и КПД трансформатора в зависимости от коэффициента загрузки

Независимо от мощности конкретного трансформатора, зависимость КПД от коэффициента загрузки имеет максимум, находящийся в среднем на уровне 45% от номинальной загрузки.

Эта особенность позволяет рассмотреть следующие варианты повышения эффективности для трансформаторной подстанции [39]:

·   если общая мощность, потребляемая нагрузкой, ниже уровня 40-50% Pn, в качестве меры энергосбережения целесообразно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы довести загрузку остальных до оптимальной величины;

·        в противоположной ситуации (общая мощность, потребляемая нагрузкой, превышает 75% Pn), достичь оптимального КПД трансформаторов можно лишь посредством установки дополнительных мощностей;

·   при замене трансформаторов, исчерпавших ресурс, или модернизации трансформаторных подстанций предпочтительной является установка трансформаторов с пониженным уровнем потерь, что позволяет снизить потери на 20-60%.

Как правило, на трансформаторных подстанциях имеется избыток установленных мощностей, вследствие чего средний фактор загрузки относительно низок. Этот избыток мощностей традиционно поддерживается для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу в случае выхода из строя одного или нескольких трансформаторов.

Применимость

Критерии оптимизации применимы ко всем трансформаторным подстанциям. Согласно оценкам, оптимизация загрузки возможна в 25% случаев.

Величина трансформаторных мощностей, заново устанавливаемых или обновляемых в промышленности ежегодно, оценивается в 5% общей установленной мощности. В этих случаях может рассматриваться возможность установки трансформаторов с пониженным уровнем потерь [40, 41].

Рис. 20. Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов

Главная задача при написании последней главы работы заключается в разработке рекомендаций по повышению качества электрической энергии в исследуемой системе электроснабжения.

Для решения поставленной задачи были проведены испытания электрической энергии по показателям, установленным [1] (Приложения 1 и 2) в указанных точках системы электроснабжения (Приложение 1), а также, был использован метод анализа качества электрической энергии при помощи компонентного портрета качества электрической энергии (Приложение 4). Эти мероприятия позволили выявить показатели качества электрической энергии, численные значения которых выходили за пределы установленных норм, что говорит об их несоответствии нормам.

На основании анализа проведенных измерений были разработаны организационные и технические рекомендации, позволяющие стабилизировать несоответствующие показатели качества электрической энергии. Как показывают исследования, реализация этих мероприятий носит энергосберегающий характер, так как, позволить существенно снизить затраты на ремонт и обслуживание системы электроснабжения в целом путем снижения нерациональных потерь при передаче электрической энергии и сокращение потребления электроприемниками непосредственно, что делает тему исследований весьма актуальной. К тому же, снижение потерь и потребления электрической энергии позволит повысить надежность системы электроснабжения, снизив риск преждевременного старения и выхода из строя элементов системы электроснабжения (линий электропередач, силовых трансформаторов, электроприемников).

Рис. 21. Рекомендованные мероприятия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате дипломной работы предложено решение поставленной цели - проведен анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения, выявлены показатели, выходящие за пределы, установленные [1], в результате чего, предложены рекомендации по повышению показателей качества электрической энергии.

Как было установлено в главе 1, качество электрической энергии: Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества электрической энергии [1].

Под показателями качества понимается ряд параметров (рисунок 1):

- отклонение частоты;

отрицательное отклонение напряжения;

положительное отклонение напряжения;

коэффициент гармонической составляющей напряжения;

суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения;

коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности;

коэффициент несимметрии по обратной последовательности;

кратковременная доза фликера;

длительная доза фликера.

Отклонение каждого из этих параметров может нанести ущерб потребителю электрической энергии, так как такие явление пагубно сказываются на функционировании системы электроснабжения (работе линий электопередач, силовых трансформаторов, электродвигателей и т.д.).

При этом, в системе электроснабжения города-миллионника присутствуют потребители все категорий надежности и всех уровней напряжения, то есть проблема анализа качества электрической энергии актуальна для всех электроустановок - ЦП 330-110/35/10 кВ, РП, СП, ТП 10/0,4 кВ (Рисунок 2).

Благодаря разнообразию микропроцессорных приборов для анализа качества электрической энергии, мониторинг показателей качества электрической энергии в настоящее время на составляет большого труда. Каждый из таких приборов наделен своим своим набором характеристик, преимуществ и недостатков.

В качестве объекта испытаний качества электрической энергии, была выбрана система электроснабжения (Приложение 1). Благодаря установке двух анализаторов качества электрической энергии серии «Ресурс», было установлено, что некоторые параметры качества электрической энергии выходят за границы, установленные [1]. Анализ измерений производился на основании [42] (Приложения 2 и 3), а также, разработанного метода построения компонентного портрета качества электрической энергии [21-29] (Приложение 4), позволяющий более наглядно представить результаты анализа качества электрической энергии и оценить состояние системы электроснабжения.

Из показателей качества электрической энергии, границы которых установлены [1], несоответствовали:

положительное отклонение напряжения;

коэффициент гармонической составляющей напряжения;

суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения.

Кроме того, выделен еще один показатель, характеризующий энергетическую эффективность системы электроснабжения - коэффициент мощности, который также подвергался измерению, наряду с остальными показателями качетсва электрической энергии.

Для решения этой проблемы рекомендованы корректирующие мероприятия, позволяющие не только повысить качество электрической энергии, но и повысить энергетическую эффективность в целом, путём снижения потерь электрической энергии при ее передаче и снижения потребления электрической энергии электроприемниками:

)        Организационные мероприятия по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников:

·        поддержание уровня квалификации персонала;

·        эффективный контроль технологических процессов;

·        техническое обслуживание;

·        мониторинг и измерения.

)        технических мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников:

·        компенсация реактивной мощности;

·        применение фильтров гармонических колебаний;

·        энергоэффективная эксплуатация трансформаторов.

Список ИСПОЛЬЗОВАННОЙ литературы

1   ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Москва: Стандартинформ. - 2014

2        Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 207 с.

         ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. - Москва: Стандартинформ. - 1997

         Ананичева С.С. Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах: учебное пособие / С. С. Ананичева, А. А. Алекссев, А. Л. Мызин.; 3-е изд., испр. Екатеринбург: УрФУ. 2012. 93 с.

         ГОСТ 30804.4.30 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. - Москва: Стандартинформ. - 2014

         ГОСТ 30804.4.7 Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. - Москва: Стандартинформ. - 2013

         Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев [и др.]. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.

         Шидловский А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов - Киев: Наук.думка, 1985. - 268 с.

         Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях/ И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

         Церазов Л.А. Исследование влияния несимметрии и несинусоидальности напряжения на работу асинхронных двигателей /Л.А. Церазов, Н.И. Якименко // Информационные материалы №70. - М.: Госэнергоиздат, 1963.

         Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.

         «ГОСТ 33073-2014 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (введен в действие Приказом Росстандарта от 08.12.2014 N 1948-ст).

         «Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) предприятий и организаций угольной отрасли» (Одобрена на заседании координационного совета Минэнерго России по энергосбережению и повышению энергоэффективности в угольной промышленности (протокол от 29.05.2012 N 6)

         «Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) бюджетных организаций» (Утверждено Приказом министра энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Свердловской области От «13» сентября 2010 г. № 85).

         Александров, Д. С. Надёжность и качество электроснабжения предприятий: учебное А 46 пособие / Д. С. Александров, Е. Ф. Щербаков.- Ульяновск : УлГТУ, 2010. - 155 с.

         Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм информации в оценке качества электрической энергии // Сборник статей по материалам XIV международной научно-практической конференции «Наука вчера, сегодня, завтра». - Новосибирск: Изд-во «СибАК». - 2014. - №7 (14). - С 25 - 30.

         Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм комплексной оценки качества электрической энергии // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной науки». - Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2014. - С 40 - 45.

         Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм комплексной оценки гармонических составляющих напряжения // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Эволюция научной мысли». - Уфа: «Аэтерна». - 2014. - С 19 - 24.

         Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. АВТОМАТИЗАЦИЯ УЧЁТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ// Сборник статей по материалам XXXIII Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике». Новосибирск: Изд-во «СибАК». - 2014. - № 4 (29). - С. 109-117.

         Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм информации в оценке качества электрической энергии // Сборник статей по материалам V международной научно-практической конференции «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы». Ставрополь: Центр научного знания «Логос».- 2014. - С. 69.

21 Прошин И.А., Сюлин П.В. Компонентный портрет экологической безопасности // Проблемы региональной экологии. - 2013. - № 6. - С. 151-154.

22      Прошин И.А., Сюлин П.В. Методика научных исследований экосистем // Экологические системы и приборы. - 2013. - № 12. - С. 26-32.

23 Прошин И.А., Сюлин П.В. Оценка экологической безопасности многокомпонентных систем // «ХХI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс»: Научно-методический журнал. - 2013. - № 09(13). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2013. - С. 144- 156.

24 Приказ Минэнерго России от 23.06.2015 N 380 "О Порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии" (Зарегистрировано в Минюсте России 22.07.2015 N 38151).

25      Я.М. Щелоков. Энергетическое обследование: справочное издание: В 2-х томах. Том 2. Электротехника. Екатеринбург: , 2011. 150 с.

         Справочник ЕС по наилучшим доступным технологиям "Европейская комиссия. Комплексное предупреждение и контроль загрязнений. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. 2009 г." ("European Commission. Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency. 2009")

27      ZVEI "Position Paper on the Green Paper on Energy Efficiency: Improving Energy Efficiency by Power Factor Correction".

         US_DOE_PowerFactor "Motor Challenge Fact sheet, Reducing Power Factor Cost".

         IEC 61000-3-2 "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase)"

         BS EN 61000-3-12:2005 «Electromagnetic compatibility (EMC). Limits. Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16A and 75A per phase»

         Di Franco, N. (2008). "Energy efficient management of transformers".

         Petrecca, G. (1992). "Industrial Energy Management".

         Di Franco, N. “ Energy diagnose in semi-conductors mill".

34      ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.