CC BY
20
УДК 621.31+004.3
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 220 ВОЛЬТ 50 ГЕРЦ
З.М. ГИЗАТУЛЛИН, Р.М. ГИЗАТУЛЛИН
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ
В последние годы проблемы качества электроэнергии приобретают актуальность, так как являются одними из важнейших условий экономичной и длительной эксплуатации современных электронных устройств, которые используются в различных отраслях. В статье приведены результаты анализа показателей качества электроэнергии в однофазной сети электропитания 220 Вольт 50 Герц на территории Республики Татарстан.
Ключевые слова: качество электроэнергии, измерения, сеть электропитания.
Введение
С постоянным ростом степени автоматизации быта современного общества и производства, внедрением новых электронных устройств остро встает проблема электропитания оборудования, чувствительного к качеству напряжения. Реализация современных методов управления невозможна без применения цифровых электронно-вычислительных средств, которые ориентированы исключительно на работу в нормальных эксплуатационных режимах. Поэтому любое возмущение со стороны электрической сети приводит к немедленному аварийному прерыванию управляющих систем и технологических процессов, так как возникающие переходные электромагнитные и электромеханические переходные процессы, пусть и кратковременные, разрушают заданную технологию и расстраивают работу систем автоматического управления [1-4]. Таким образом, становится очевидной актуальность решения задачи контроля показателей качества электроэнергии с последующим поиском решения по улучшению данных показателей.
Приведенная диаграмма (рис. 1) дает представление о наиболее часто встречающихся проблемах качества энергии. Например исследования, проведенные Европейским институтом меди в 2001 году на 1 400 объектах в 8 европейских странах, выявили, что любая электроустановка с вероятностью 5-25% подвержена влиянию 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, ЭВС -электронно-вычислительные средства, ИТ - информационные технологии) [5].
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.
Зависание ЭВС Мерцание экрана ЭВС Повреждение оборудования Аномальное функционирование ИТ оборудования
Рис. 1. Последствия низкого качества электроэнергии
1. Качество электроэнергии. ГОСТ 13109. Виды нарушений
Согласно ГОСТ 13109-97 [2] существует 11 показателей качества электроэнергии: установившееся отклонение напряжения; размах изменения напряжения; доза фликера; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения; коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности; коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности; отклонение частоты; длительность провала напряжения; импульсное напряжение; коэффициент временного перенапряжения. Наиболее часто на предприятиях и в организациях, пользующихся однофазной сетью электропитания 220 Вольт 50 Герц, встречаются следующие проблемы качества электроэнергии: установившееся отклонение напряжения; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения; отклонение частоты. Установлены два вида норм качества электроэнергии: нормально допустимые и предельно допустимые.
Для установившегося отклонения напряжения установлены следующие нормы: нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения dUy на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10% от номинального напряжения электрической сети; нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения с номинальным напряжением сети 220В равны соответственно 8% и 12%; нормально допустимые значения коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения с номинальным напряжением сети 220В приведены в табл. 1; предельно допустимое значение коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения больше в 1,5 раза, чем нормально допустимые; для отклонения частоты напряжения переменного тока установлены следующие нормы нормально допустимого и предельно допустимого значения: ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно.
2. Методика и оборудование для измерения качества электроэнергии
В качестве оборудования для измерения качества электроэнергии используется прибор "Прорыв-КЭ" (НПП "Прорыв", г. Петрозаводск, №1102019 от 20.09.2011, свидетельство ЯИ.С.34.004.Л. №42300). Прибор "Прорыв-КЭ" предназначен для измерения показателей качества электрической энергии, установленных ГОСТ 1310997 [6] и ГОСТ 51317.4.30-2008 (пп. 5.1, 5.2) [7], их временных характеристик, используемых для контроля качества электрической энергии в однофазных и трехфазных (трех- и четырехпроводных) электрических сетях и системах
электроснабжения с номинальной частотой 50 Гц. Измеряемые показатели качества электроэнергии:
- по ГОСТ Р 51317.4.30-2008: значение напряжения; частота.
- по ГОСТ 13109-97: установившееся отклонение напряжения; отклонение частоты; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения; коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности; коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности; длительность провала напряжения; глубина провала напряжения.
Таблица 1
Нормально допустимые значения коэффициента п-й гармонической составляющей
п - номер гармонической 5 7 11 13 17 19 23 25 >25
составляющей напряжения
Нечетные гармоники, не 6 5 3,5 3 2 1,5 1,5 1,5 0,2+1,3-25/и
кратные 3
п - номер гармонической 3 9 15 21 >21
составляющей напряжения
Нечетные гармоники, 5 1,5 0,3 0,2 0,2
кратные 3
п - номер гармонической 2 4 6 8 10 12 >12
составляющей напряжения
Четные гармоники 2 1 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2
Прибор имеет три канала измерения напряжения (фазные напряжения или линейные напряжения) при номинальных значениях ином для фазных - 220В и 57,7 В, непрерывное измерение и запоминание показателей качества электроэнергии в течение не менее 10 суток и сохранение измеренных показателей при отключении питания в течение неограниченного времени.
Методика испытаний соответствует ГОСТ Р 53333-2008 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [8]. Минимальный интервал времени измерений равен 24 ч.
3. Результаты измерения качества электроэнергии
Точки измерения качества электроэнергии выбраны в разных районах г. Казани и Республики Татарстан. Первые 4 точки измерения находятся в г. Казани и 1 точка измерения - в сельской местности Республики Татарстан (2 варианта: без (точка 5) и со стабилизатором напряжения (точка 5с)). Результаты измерения качества электроэнергии в точках 5 и 5с соответственно показаны на рис. 2 (а, б - по установившемуся отклонению напряжения; в, г - по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения; д, е - по коэффициенту п-й гармонической составляющей напряжения; ж, з - по отклонению частоты).
е)
з)
Рис. 2. Результаты измерения параметров качества электроэнергии: а, б -по установившемуся отклонению напряжения; в, г - по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения; д, е -по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения; ж, з -по отклонению частоты
Сводные данные по соответствию качества электроэнергии ГОСТ 13109-97 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Заключение о качестве электрической энергии установленным требованиям
Требования № точки измерения Соответствие требованиям
1 2 3
по установившемуся отклонению напряжения 1 не соответствует
2 соответствует
3 соответствует
4 не соответствует
5 не соответствует
5с соответствует
Продолжение таблицы 2
1 2 3
по коэффициенту искажения 1 соответствует
синусоидальности кривои напряжения 2 соответствует
3 соответствует
4 соответствует
5 соответствует
5с не соответствует
по коэффициенту и-ой гармонической 1 не соответствует
составляющей напряжения 2 не соответствует
3 не соответствует
4 не соответствует
5 не соответствует
5с не соответствует
по отклонению частоты 1 соответствует
2 соответствует
3 соответствует
4 соответствует
5 соответствует
5с соответствует
4. Рекомендации для повышения качества электроэнергии
Способов решения проблем качества энергии много, и лишь часть из них представлена на рис. 3 [5, 9]. Как уже отмечалось, универсального решения проблем качества энергии не существует. Более того, крайне вероятно, что на объекте (электроустановке) существует одновременно несколько видов проблем качества энергии, поэтому применяемые решения должны быть не только оптимальны, но и взаимосовместимы. Например, рассмотренное в данной работе применение стабилизатора напряжения позволяет повысить качество по установившемуся отклонению напряжения, но снижает качество по коэффициенту искажения синусоидальности (табл. 2). Поэтому следует остерегаться иногда появляющихся на рынке «универсальных» изделий-решений с нераскрытым принципом действия. Следует также помнить, что электрические нагрузки не статичны в течение дня, рабочего цикла, сезона и т. д.
Защита от скачков напряжения Источники бесперебойного питания Изменение истинного RMS Щадящие нагрузки Применение специальных цепей Полная замена проводников Заземляющие сетки Пассивные фильтры Активные фильтры Устройство электроустановки TN-S Увеличение сечения нейтрального проводника
0 10 20 30 40 50 60 70 %
Рис. 3. Способы решения проблем качества электроэнергии
Потери, вызываемые проблемами качества энергии, разнятся в зависимости от отрасли. Тем не менее считается, что мероприятия по предупреждению проблем качества энергии окупаются в течение 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 [5].
Выводы
Качество электроэнергии является сложной и многогранной областью. В настоящее время много объектов энергопотребления страдают от проблем качества энергии, которые приводят к прямым и косвенным материальным потерям. Проведенный анализ качества электрической энергии показал, что в однофазной сети электропитания 220 Вольт 50 Герц в рассмотренных точках территории Республики Татарстан показатели во многих случаях не удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109-97, в частности:
- по установившемуся отклонению напряжения в двух точках. При этом преимущественно в ночное время (примерно с 0 часов до 6 часов) наблюдается превышение по верхнему уровню, а в вечернее время (примерно с 17 часов до 21 часа) - по нижнему уровню предельно допустимого напряжения;
- по коэффициенту искажения синусоидальности параметр в целом соответствует требованиям, но может ухудшиться при применении прибора стабилизации напряжения;
- по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения не соответствует требованиям во всех точках; при использовании прибора стабилизации напряжения отклонения различных коэффициентов повышаются;
- по отклонению частоты качество электроэнергии соответствует требованиям ГОСТ во всех точках.
При этом считается, что тщательное планирование мероприятий по предупреждению проблем качества энергии на стадии проектирования объектов является самым экономичным способом снижения таких потерь.
*Работа выполнена по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Summary
Problems of power quality becomes actual. Power quality are important to the economical and long-term operation of modern electronic devices. The analysis of quality of electric power in a single-phase power supply 220V 50 Hz of the Republic of Tatarstan is spent in the article.
Keywords: power quality, measurement, the electricity supply.
Литература
1. Чугунов Г.А., Агапов М.Н., Тищенко А.И. Мониторинг показателей качества электроэнергии // Ползуновский вестник. 2010. №2. С. 97-101.
2. Гизатуллин Р.М. Экспериментальные исследования по проникновению преднамеренных микросекундных электромагнитных импульсов по сети питания к цифровым элементам электронных средств // Технологии электромагнитной совместимости. Москва. 2010. №3. С. 73 - 79.
3. Гизатуллин Р. М. Прогнозирование защиты информации в цифровых электронных средствах при преднамеренных электромагнитных воздействиях по сети питания // Технологии электромагнитной совместимости. Москва. 2010. №3. С. 64 - 72.
4. Гизатуллин З.М. Электромагнитная совместимость электронных средств объектов электроэнергетики при внешних электромагнитных воздействиях по сети питания // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2007. №9-10. С. 37-45.
5. Кюленер Х.Д. Прикладные аспекты качества электроэнергии. Самостоятельная оценка качества электроэнергии // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». 2005. №7 (http://esco-ecosys.narod.ru/2005_7/art67.htm).
© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
6. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск, 1997. 66 с.
7. ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2008. 60 с.
8. ГОСТ Р 53333-2008. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2009. 28 с.
9. Жак Куро. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении // Новости ЭлектроТехники. 2005. №1 (31). (http://www.news.elteh.ru/arh/2005/31/05.php).
Поступила в редакцию 16 февраля 2012 г.
Гизатуллин Зиннур Марселевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ. Тел.: 8 (843) 231-00-81; 8 (903) 0617176. E-mail: [email protected].
Гизатуллин Рифнур Марселевич - аспирант кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ. Тел.: 8 (843) 231-00-81. E-mail: [email protected].
