Прикладные аспекты качества электроэнергии.

Самостоятельная оценка качества электроэнергии

Ханс Де Кюленер

Список потенциальных проблем качества энергии на удивление большой. Проблемы качества энергии сложны и зачастую для их диагностики и решения требуется собрание из специалистов различных областей. Схожие предпосылки, как, например, перегрев оборудования, могут вызываться различными причинами (гармонические искажения, дисбаланс, перегрузка). Каждая из них требует отдельного способа решения.

Каковы шансы, что у вашей электроустановки есть проблемы качества энергии?

Вопрос о том, подвержена ли электроустановка негативному влиянию качества энергии, зависит от следующих факторов:

- качества энергоснабжения от поставщика по напряжению;

- типов нагрузки;

- чувствительности оборудования к различного вида возмущениям и отклонениям от номинальных параметров.

Следует заметить, что не существует единого универсального способа устранения проблем качества энергии. Оптимальное технико-экономическое решение должно вырабатываться для каждой электроустановки индивидуально, но с учетом трех вышеупомянутых факторов. В приводимом ниже обзоре не учитываются случаи, связанные с качеством энергии по причинам, имеющим отношение к поставщику, а рассматриваются только факторы, связанные с электроустановкой потребителя.

Типичные проблемы

Приведенная диаграмма дает представление о наиболее часто встречающихся проблемах качества энергии. Исследование, проведенное Европейским институтом меди в 2001 году на 1 400 объектах в 8 европейских странах, выявило, что любая электроустановка с вероятностью 5–25 % подвержена влиянию от одного или нескольких последствий дефектного качества энергии. Кроме того, половина объектов в энергоемких отраслях и административных зданиях с критически важными функциями подвержена негативному влиянию двух и более последствий низкого качества энергии. Беспроблемные объекты встречаются редко (рис. 1).

Разумеется, низкое качество энергии не является причиной возникновения всех проблем с упомянутыми перебоями в работе. Так, к примеру, зависание компьютерных станций может быть вызвано другими причинами – качеством математического обеспечения. Кроме того, точное нахождение проблемы внутри электроустановки или вне ее (до или после счетчика) может быть осуществлено только после тщательных измерений и анализа.

Рисунок 1. (подробнее) Наиболее часто встречающиеся проблемы качества энергии на основе исследований 1 400 объектов в 8 странах

Зависание компьютеров

Токи, возникающие в оборудовании, приводят к падению напряжения между оборудованием и землей. Несмотря на малые абсолютные значения (несколько вольт), они, тем не менее, могут оказаться соизмеримыми со значениями сигнального напряжения в системах, используемых в компьютерной технике. Хотя компьютерное оборудование изготавливается таким образом, чтобы защитить его от влияния в том числе шумов от напряжения. Полностью исключить влияние невозможно, особенно при увеличении частоты шумов. Современные протоколы передачи данных используют технологии обнаружения и коррекции ошибок, суть которых состоит в повторной передаче искаженных данных, что, однако, снижает эффективную пропускную способность. В результате наблюдается снижение производительности компьютерного оборудования вплоть до полной остановки.

При конфигурации электроустановки TN-C общий заземляющий и нейтральный проводник активно передает упомянутые токи, создавая падения напряжения, и потенциал сигнальной заземляющей поверхности для всевозможных компьютерных изделий в здании различен.

Мерцание экранов

Токи гармоник различных порядков суммируются в нейтральном проводнике. При конфигурации TN-C нейтральный и защитный проводники объединены и соединены с элементами токопроводных инженерных конструкций здания во многих местах. В результате, нейтральные обратные токи имеют возможность беспрепятственного тока в металлических частях здания, создавая неконтролируемые и неуправляемые магнитные поля. В худшем случае это приводит к мерцанию экранов мониторов. Нейтральный проводник всегда должен быть гальванически отделен от защитного до точки общего присоединения, как это предусмотрено конфигурациями TN-S и TN-C-S. Несомненно, стопоследовательное применение принципа отдельного нейтрального проводника и единственной точки соединения нейтрали и земли не только улучшает параметры электромагнитной совместимости, но и повышает уровень безопасности.

Мерцание света

Короткие по времени изменения напряжения, вызванные переключением, короткими замыканиями и переменой нагрузки, могут приводить к мерцанию источников света. Допустимая амплитуда изменения величины светового потока нормирована различными стандартами на основе критериев субъективного восприятия этого явления. Значительное мерцание приводит к повышенной утомляемости, головной боли и синдрому «временной усталостной слепоты».

Перегрев трансформаторов при умеренных нагрузках

Гармонические искажения являются причиной дополнительных потерь в силовых трансформаторах. При нагрузках, близких в максимальным, дополнительные потери по этой причине могут привести к выходу из строя в результате перегрева и прогара изоляции обмоток. При современной тенденции использования оборудования в режимах, близким к его максимальным возможностям, и одновременном росте загрязненности гармоническими искажениями сетей низкого напряжения упомянутая проблема встречается все чаще и чаще.

Из числа различных видов причин потерь в силовых трансформаторах особое внимание следует обратить на вихревые индукционные токи (токи Фуко), поскольку они растут примерно пропорционально квадрату частоты. В здании с различными видами нагрузки потери трансформатора из-за вихревых индукционных токов примерно в 9 раз выше, чем обычно ожидается, удваивая потери нагрузки трансформатора. Для точного установления величины потерь требуется изучить спектр гармонических искажений в электроустановке.

Индукционные электродвигатели

Гармонические искажения напряжения вызывают дополнительные потери в асинхронных индукционных электродвигателях. 5-я гармоника создает противовращающееся магнитное поле, а 7-я – несинхронно вращающееся. Образующиеся в результате этого крутящий (механический) момент вызывает повышенные нагрузки и износ в подшипниках и соединениях вращающихся частей привода. Однако поскольку скорость вращения фиксирована, дополнительная энергия гармоник рассеивается в виде тепла, приводя к преждевременному старению агрегата. Гармонические токи также наводятся на ротор, вызывая дополнительный нагрев, который приводит к уменьшению зазора между ротором и статором, т. е. снижает КПД агрегата в еще большей степени.

У регулируемых электроприводов свой спектр проблем. Они обычно чувствительны к провалам напряжения, нарушая синхронизацию на производственных линиях, где она критически важна.

Особое внимание следует обратить на пуск электропривода, функционировавшего при больших нагрузках после остановки при перерывах электропитания. И так уже разогретый агрегат в процессе раскрутки при пуске может выйти из строя. При выборе номинальной мощности электропривода следует принимать во внимание:

- что обычно при проектировании электропривода оптимальные характеристики закладываются на 70 % нагрузки;

- частоту провалов напряжения на объекте и количество времени, которое с точки зрения экономики процесса допустимо выделять на охлаждения электропривода перед повторным пуском.

Перегрев проводников в результате поверхностного эффекта (нагрева поверхностного слоя)

Все гармоники приводят к дополнительным потерям в фазных проводниках. Явление нагрева поверхностного слоя проводника ничтожно при частоте 50 Гц, но уже становиться значимым при частоте 350 Гц (7-я гармоника) и выше. Например, проводник диаметром 20 мм имеет на 60 % большее значение видимого сопротивления при 350 Гц, чем при протекании постоянного тока. Увеличивающееся по мере роста частоты активное и емкостное сопротивление приводит к падению и еще большему искажению напряжения.

Корректное функционирование контрольного оборудования

Значительные гармонические искажения могут привести к дополнительному явлению – нежелательному переходу через ноль в пределах одного цикла, что сбивает чувствительное измерительное оборудование. Это может привести к рассинхронизации непрерывных процессов и остановке сетевых устройств.

Переполнение сетей передачи данных

Утечка токов на землю вызывает небольшие падения напряжения вдоль заземляющего рабочего проводника. При конфигурации электроустановки TN-C в объединенном нулевом и заземляющем рабочем проводнике постоянно имеется ток значительной величины с доминирующими гармониками, кратной третьей. По мере все большего использования технологий передачи данных, где используются невысокие значения напряжения для информационного сигнала, увеличивается число искаженных и требующих повторной передачи пакетов данных, так вплоть до полного блокирования связи. Вот причина часто необъяснимых перебоев или задержек в передаче электронной почты, медленной печати документов или блокировки информационных сетей.

Проблемы оборудования коррекции коэффициента мощности

Частоты гармоники могут совпасть с резонансными частотами устройств индуктивной нагрузки, вызывая дополнительное напряжение или ток, что приводит к преждевременным отказам. Более того, в этом случае измерительное оборудование, как правило, не способно верно измерить значения индуктивной нагрузки, поскольку неверно определяется гармоническая составляющая.

Проблемы на длинных трассах или при переключении нагрузок

Большая длинна трассы означает большее сопротивление, что вызывает падение и сильное искажение напряжения на нагрузке. Подобный эффект происходит при пуске мощных электродвигателей или переключении нагрузок. Гармоники высшего порядка, выплескиваемые в сеть регулируемым электроприводом в конце длинных трасс, приводят к еще большим искажениям напряжения. Приходится выбирать номинальные значения (сечения) кабелей для длинных трасс с большим запасом. В качестве бонуса, большие значения номиналов кабелей означают меньшие потери. Окупаемость подобных мероприятий обычно составляет 3 000 ч работы.

Перегрузка нейтрального проводника

Ток в нулевом рабочем проводнике четырехпроводной системы трехфазного тока при нелинейной нагрузке превышает фазные токи. В прошлом, значение номинала нулевого рабочего проводника обычно принималось как половина значения номинала фазного проводника, но с тенденцией роста гармонической загрязненности типичных электроустановок ситуация становится критической, даже когда нагрузка фазных проводников далека от максимальной.

Раздражающее (ложное) срабатывание автоматики защиты

Дополнительные токи и напряжения приводят к раздражающему (ложному) срабатыванию устройств защиты. Автоматы часто не могут различить токи в основных и других гармониках, что приводит как к ложному срабатыванию, так и несрабатыванию, когда это требуется. Токи утечки могут привести к ложному срабатыванию устройств защитного отключения. При этом меры по устранению раздражающего (ложного) срабатывания защиты ни в коем случает не должны привести к компромиссу в виде увеличения пороговых значений срабатывания, т. е. не должны осуществляться в ущерб безопасности. Основное направление решения этой проблемы состоит в более равномерном распределении нагрузок по цепям, снижении суммарной нагрузки на каждой индивидуально защищаемой цепи и применении автоматики, учитывающей влияние гармоник.

Претензии от поставщиков энергии

На сегодняшний день еще не многие поставщики электроэнергии штрафуют потребителей за загрязнение питающей сети, как, например, в случае с реактивной мощностью. Но процесс начался, и некоторые поставщики уже ввели фискальные санкции за загрязнение, поскольку это приводит к неоптимальной экономике эксплуатации.

Пути решения проблем

Способов решения проблем качества энергии много, и лишь часть из них представлена на рис. 2.

Как уже отмечалось, универсального решения проблем качества энергии не существует. Более того, крайне вероятно, что на объекте (электроустановке) существуют одновременно несколько видов проблем качества энергии, поэтому применяемые решения должны быть не только оптимальны, но и взаимосовместимы. Следует остерегаться иногда появляющихся на рынке «универсальных» изделий-решений с нераскрываемым принципом действия – таких настоящих решений пока еще нет!

Следует также помнить, что электрические нагрузки не статичны в течение дня, рабочего цикла, сезона и т. д.

Потери, вызываемые проблемами качества энергии, разняться в зависимости от отрасли. Тем не менее мероприятия по предупреждению проблем качества энергии окупаются в течении 2–3 лет. При этом величина затрат на предупредительные мероприятия при проектировании обычно составляет 10–20 % от величины затрат на устранение проблем по факту их появления. Важно, чтобы о таком порядке вещей и величинах затрат знали не только специалисты, но и владельцы объектов, управляющий персонал.

Рисунок 2. (подробнее) Типичные решения проблем качества энергии на основе исследования 1 400 объектов в 8 странах

Источник бесперебойного питания

Редкая компания со значительной компьютерной системой или синхронными производственными процессами не использует сегодня источники бесперебойного питания. Это решение дорогое и должно применяться рационально. Одной из крайностей является применение источника бесперебойного питания только к центральным (основных) процессам и оборудованию, другой – применение источника бесперебойного питания на всех без исключения устройствах. Очевидно, что оптимально правильное решение находится где-то посередине.

Устройства аварийной генерации

Из-за задержки пуска аварийные генераторы представляют собой второй эшелон обороны, при системной аварии.

Измерение истинного RMS

Значения истинного RMS могут оказаться гораздо больше показаний усредняющих приборов. По опыту Европы на большинстве объектов измерение истинного RNS стало нормой.

Параллельные нейтральные проводники

Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Также в результате поверхностного эффекта качественное значение сечения кабелей и фидеров снижается – использование кабелей все большего и большего диаметра не даст ощутимого результата, поскольку токи будут «выталкиваться» к поверхности. Очевидно, что более эффективным будет использование параллельно соединенных кабелей (проводов).

Зонирование нагрузок

Различные виды нагрузок требуют всевозможных мер в электромагнитной совместимости, непрерывности энергоснабжения и безопасности. Это, в свою очередь, требует классификации нагрузок по видам и применению соответствующих групповых решений в части электропроводки, заземления, дублирования и т. д.

Применение конфигурации TN-S

Системы TN-C с общим нейтральным и защитным проводником уже стали раритетом в большинстве стран Европы. Ныне законодатель рассматривает PEN-проводник как исключительное решение только для особых случаев. Для электроустановок, насыщенных информационным оборудованием, конфигурация TN-C больше не разрешается. Но и с точки зрения электромагнитной совместимости конфигурация TN-S предпочтительна для остальных случаев.

Величина сечения нейтрального проводника

В большинстве стран нормативные документы сегодня требуют по умолчанию применения нейтрального проводника той же размерности, что и рабочие проводники фаз. В нормативно-технических документах некоторых стран также требуется устройство защиты нейтрального проводника от сверхтока в сетях со значительным содержанием гармонических искажений.

Выводы

Качество электроэнергии является сложной и многогранной областью. В настоящее время большинство объектов с высоким энергопотреблением страдают от проблем качества энергии, которые приводят к прямым и косвенным материальным потерями.

При этом не существует одного способа решить такие проблемы, а потери снизить. Тщательное планирование мероприятий по предупреждению проблем качества энергии на стадии проектирования является самым экономичным способом снижения таких потерь.

Перепечатано с сокращениями из издания  Европейского института меди  «Прикладное руководство по качеству электроэнергии» 

Перевод с английского Е. В. Мельниковой, Редактор перевода В. С. Ионов