CC BY
85
тел. (81555) 79516, эл. почта: student_noo@admkas.apatity.ru Ильин Даниил Владимирович,
инженер-исследователь лаборатории № 33 Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14.
тел. (81555) 79272, эл. почта: twizanx2@yandex.ru
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 622.311.1: 658.26
И. С. Шиханов, А. С. Карпов, В. В. Ярошевич, Г. П. Фастий, Е. А. Токарева
ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕРТИФИЦИРОВАННЫХ РЕГИСТРАТОРОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Аннотация
Представлен анализ сертифицированных регистраторов показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при синхронной регистрации на подстанции 10 кВ городской сети, обладающей большим количеством потребителей с различным характером нагрузки. По результатам измерения каждого прибора дана оценка качества электроэнергии и результаты были сопоставлены.
Ключевые слова:
электромагнитная совместимость, сертифицированные измерительные приборы, качество электроэнергии, подстанции, действующая высоковольтная сеть.
I. S. Shikhanov, A. S. Karpov, V. V. Yaroshevich, G. P. Fastiy, E. A. Tokareva
ASSESSMENT OF CERTIFIED LOGGERS USE OF THE ELECTRIC POWER MERIT FIGURES
Abstract
In article the analysis of the certified loggers of the electric power merit figures (EPMF) in case of the synchronous registration on city network 10 kV substations, possessing a large number of customers with different character of loading is provided. By results of each instrument measurement the assessment of electric power quality is given and results were compared.
Keywords:
еlectromagnetic compatibility, the certified measuring instruments, quality of the electric power, substation, operating high-voltage network.
Использование сертифицированных приборов для оценки качества электроэнергии в сети является необходимой и обязательной мерой для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей [1-5]. Исследования качества электроэнергии выполняются ЦФТПЭС с 2004 г. и описываются в работах [7-17]. Такой контроль позволит обеспечить всех потребителей электроэнергией надлежащего качества. Однако при синхронной
56
регистрации возможны некоторые расхождения в результатах регистрации, что может быть обусловлено погрешностью используемых приборов. Для детального анализа подобных расхождений были произведены длительные измерения на действующих подстанциях.
Появляющиеся искажения классифицируются своими допустимыми значениями отклонений и стандартами, установленными в Российской Федерации [1-5]. Нормативной документацией установлена периодичность контроля качества электроэнергии - один раз в два года для всех показателей качества электроэнергии (ПКЭ), и два раза в год для отклонения напряжения [4, 6]. Помимо этого, анализ качества электрической энергии проводят при наличии претензий или замечаний от потребителей, а также в случае выявления существующих или потенциальных несоответствий по показателям качества электроэнергии [4, 7, 8].
Особенность сети Кольского научного центра заключается в том, что она расположена в центре г. Апатиты Мурманской области, при этом имеет некоторую обособленность (рис.1). Такое местоположение дает возможность анализировать работу подстанций с крайне разнородной нагрузкой потребителей (например, к одной секции шин могут быть подключены рентгенаппарат больницы КНЦ, печи опытного цеха, лаборатории и жилые дома). Такое соседство приводит к искажениям напряжения на всей системе шин. Выражается это несимметрией, несинусоидальностью, провалами напряжениями и перенапряжениями. Именно в сети Кольского научного центра на ТП - 92 10/0.4 кВ и проводились эксперименты.
Рис.1. Схема распределительной сети 10 кВ КНЦ РАН
57
Источником электроэнергии для потребителей КНЦ РАН являются подстанции ПС-24 и ПС-360 Центральных электрических сетей филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго». С шин 10 кВ посредством двух кабельных фидеров (Ф-4 и Ф-20) запитаны распределительные подстанции РП-3 и РП-1, расположенные на значительном территориальном удалении друг от друга. Основным питающим узлом для объектов КНЦ РАН является подстанция РП-3. Питание от подстанции РП-1 рассматривается как резервный источник электроэнергии. Ее особенности более подробно описаны в работе [9].
Проверка качества электроэнергии предполагает регистрацию напряжения и тока, и сопоставление полученных данных с существующими стандартами. Данная проверка проводилась на нескольких трансформаторных подстанциях КНЦ РАН.
Отклонение напряжения — отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения (рис.2). Данное искажение появляется из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителя, нормально (НД) и предельно допустимые (ПД) значения, которого равны соответственно ±5В и ±10 В.
Рис.2.Установившееся отклонение напряжения для сети 0.4 кВ
Несинусоидальность напряжения — искажение синусоидальной формы кривой напряжения (рис.3), главной причиной которой является использование нелинейных электроприемников (например, установки дуговой и контактной сварки, индукционные печи, телевизоры, компьютеры, газоразрядные лампы и др.). Электронные приемники и газоразрядные лампы при работе создают невысокий уровень искажений, но так как таких электроприемников много, их общее влияние велико. В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических, который «выбрасывается» во внешнюю сеть.
58
Рис.З.Несинусоидальность напряжения для сети 0.4 кВ Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:
• коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения KU, НД и ПД которой равны 8 и 12 % соответственно;
• коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения KU(n) (табл.1).
Таблица 1
Гармонические составляющие напряжения
n= НД ПД n= НД ПД n= НД ПД
02 02.00 03.00 15 00.30 00.45 28 00.20 00.30
03 05.00 07.50 16 00.20 00.30 29 01.30 01.95
04 01.00 01.50 17 02.00 03.00 30 00.20 00.30
05 06.00 09.00 18 00.20 00.30 31 01.20 01.80
06 00.60 00.75 19 01.50 02.25 32 00.20 00.30
07 05.00 07.50 20 00.20 00.30 33 00.20 00.30
08 00.50 00.75 21 00.20 00.30 34 00.20 00.30
09 01.50 02.25 22 00.20 00.30 35 00.90 01.35
10 00.50 00.75 23 01.50 02.25 36 00.20 00.30
11 03.50 05.25 24 00.20 00.30 37 00.90 01.35
12 00.20 00.30 25 01.50 02.25 38 00.20 00.30
13 03.00 04.50 26 00.20 00.30 39 00.20 00.30
14 00.20 00.30 27 00.20 00.30 40 00.20 00.30
Несимметрия напряжений - несимметрия трёхфазной системы напряжений (рис.4). 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.
59
Рис.4. Несимметрия напряжения для сети 0.4 кВ
Потребители электрической энергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по техникоэкономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки и т.д. Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:
• коэффициентом несимметрии напряжений по обратной
последовательности K2U, имеющем следующие нормативы: НД = 2%, ПД = 4%;
• коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой
последовательности K0U, НД и ПД которых равны 2 и 4 % соответственно.
Отклонение частоты Af - изменение периода синусоидальной линии по отношению к номинальному значению (рис.5). Более вероятный виновник искажения - электроснабжающая организация.
Для измерения и дальнейшего анализа вышеперечисленных показателей применялось 2 регистратора: «Парма РК 3.01» и «Ресурс UF2M» (рис.6), которые отличаются друг от друга. Их основные параметры сведены в табл.2.
60
Рис.6. Внешний вид регистраторов «Парма РК 3.01» и «Ресурс UF2M»
По количеству измеряемых показателей качества электроэнергии «Ресурс UF2M» превосходит «Парму РК 3.01» по ряду показателей. В отличие от РК 3.01 он способен измерять токи и угол между напряжением и током, а также кратковременную дозу фликера, длительность дозы фликера, коэффициент временного перенапряжения и размах напряжения. В то же время «Ресурс-ОТ2М» (рис.6) выдает результаты в таком виде, что дальнейшая их обработка практически невозможна [10]. Оба измерительных прибора имеют одинаковый способ подключения - через токовые клещи и не могут работать на постоянной основе. На рис.7 показано подключение «Ресурс UF2M» к трансформаторам тока (ТТ) и напряжения (ТН).
Таблица 2
Отличия измерительных приборов «Ресурс UF2M» и «Парма РК 3.01»
Измерение показателей качества электроэнергии «Ресурс UF2M» «Парма РК
3.01»
Установившееся отклонение напряжения SUV, % + +
Отклонение частоты А/, Гц + +
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной + +
последовательности K2U, %
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой +
последовательности Кои, %
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения + +
Ки, %
Кратковременная доза фликера PSi, о.е. + -
Длительная доза фликера PLi, о.е. + -
Коэффициент временного перенапряженияК„вви, о.е. + -
Размах изменения напряжения SU1, % + -
Измерение токов + -
Измерение угла между напряжением и током + -
Длительность провала напряжения Atn, с + +
61
Е 1лгрузкл
Рис.7. Схема подключений к трехфазной трехпроводной сети с двумя ТН и двумя ТТ счетчика электрической энергии и измерителя «Ресурс-ОТ2М» Присоединение «Пармы РК 3.01» производится по аналогии с «Ресурс UF2M», но исключительно к выводам трансформатора напряжений.
Данные с двух регистраторов получены в форме протоколов, электронных массивов, которые могут быть представлены в виде таблиц и графиков. Полученные первичные протоколы регистраций приборами «Парма РК 3.01» и «Ресурс UF2M» довольно громоздкие и имеют большой объем. Протоколы имеют только количественную характеристику, а для оценки качества электроэнергии в сети необходим более детальный анализ.
Трансформаторная подстанция ТП-92 имеет 2 системы шин, на которой установлены 28 ячеек и 2 силовых трансформатора ТМ-630/10/0,4 (рис.8). Регистрация ПКЭ проводилась при помощи приборов «Парма РК 3.01» и «Ресурс UF2M» на второй системе шин, поскольку она является более нагруженной и имеет наибольший интерес.
62
Секция 2
Рис.8. Принципиальная схема ТП-92
Результаты регистрации отклонений уровня напряжения на ТП-92(Т-2) сведены в табл.3. Для наглядности на рис.9 представлен суточный график отклонения напряжения.
Таблица 3
Установившееся напряжение
Показатель КЭ Отклонение значения, % Время выхода, % Заключение
«Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M» «Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M» «Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M»
мин макс мин макс НД ПД НД ПД НД ПД НД ПД
SU 00.64 05.34 0.60 4.00 07.38 0 0 0 НС С С С
UAB 00.58 05.33 0.20 3.90 04.17 0 0 0 С С С С
UBC 00.33 05.15 0.20 3.80 03.45 0 0 0 С С С С
UAC 00.94 05.84 1.00 4.50 09.17 0 0 0 НС С С С
63
^ 5.00 т 3 ' (/V SLat з ги ВС -o Lea
аэ 4.UU -т !, ? on J й; а к Ч ь.
S-i-i u.UU А (WWfij! № Ш
и : Iflj & jV* и*5* if1 Ilf WpJ*
33 ' О V f Г г
и. ии р ' о о ° о 02- СО 1Я ООО 06- 07- 08- 09- 10- см CO 1Я 16- 17- CO СГ> О ч- CM CO 4- 4- CVI CM CM CM
Время
Рис.9. Суточный график отклонений междуфазных напряжений (регистрация
прибором «Ресурс UF2M»)
На шинах ТП-92 (Т-2) прибором «Парма РК 3.01» зарегистрированы отклонения уровня напряжения в среднем на 5.42 % (табл.3), что выходит за НД значения. Длительность отклонений напряжений превышала нормально допустимые значения (более 5 % от установленного периода времени) и не превышала предельно допустимые нормативные требования стандарта. Среднее значение времени выхода составило 6.04 %, т. е. 1 ч 27 мин (табл.3). «Ресурс UF2M»не зарегистрировал отклонений по данному значению.
По гармоническому составу две гармоники (15 и 21) имели величину, превышающую нормативную. В таблице 4 приведены фактические значения с регистраторов и сопоставлены с нормативными значениями для 15-й гармоники.
Таблица 4
Отклонение 15-й гармонической составляющей
Параметры Отклонения значений, % Время выхода, %
«Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M» «Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M»
НД ПД НД ПД НД ПД НД ПД
Норматив 0.3 0.45 0.3 0.45 5 0 5 0
Максимальные величины 01.15 00.90 22.41 04.58 24.20 07.87
На рисунке 10 для наглядности показан суточный график отклонения 15-й гармонической составляющей.
64
0,8
0,7
0,6
0 1 2 3 4 S 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IS 16 17 18 19 20 21 22 23
Время, ч
Рис.10. Суточное отклонение 15-й гармонической составляющей
Время выхода у коэффициента 15-й гармонической составляющей за НД значения в среднем по двум приборам равнялось 23.3 %, а именно 5 ч 36 мин, за ПД значения - 6.23 %, т. е. 1 ч 30 мин.
В таблице 5 приведены фактические значения с регистраторов и сопоставлены с нормативными значениями для 21-й гармоники. А на рисунке 11 для наглядности показан суточный график отклонения 21 -й гармонической составляющей.
Таблица 5
Отклонение 21-ой гармонической составляющей
Параметры Отклонения значений, % Время выхода, %
«Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M» «Парма РК 3.01» «Ресурс UF2M»
НД ПД НД ПД норм пред норм пред
Норматив 0.2 0.3 0.2 0.3 5 0 5 0
Максимальные величины 00.69 00.64 07.27 01.22 07.43 01.17
Рис.11. Суточное отклонение 21-й гармонической составляющей
65
А время выхода у коэффициента 21-й гармонической составляющей в среднем по двум приборам за НД равнялось 7.35 %, т.е. 1 ч 46 мин, а за ПД значения составило 1.2 %, т. е. 18 мин.
Все остальные показатели оставались в пределах нормы.
После сравнения показателей качества электроэнергии, зарегистрированных «Пармой РК 3.01» и «Ресурс UF2M», можно заметить, что показания данных приборов отличаются незначительно.
Следует отметить, что превышения НД и ПД значения данных гармонических составляющих носит систематический характер (особенно для 21-й гармоники), со стабильным превышением с 21 ч до 8 утра. Это связано с тем, что во время рабочего дня в одной из лабораторий подключается установка, потребляющая данные гармонические искажения.
Заключение
Использование дублирования регистрации одного сертифицированного регистратора другим позволило зафиксировать отклонение результатов регистратора «Парма РК 3.01» относительно «Ресурс UF2M».Так, например, «Парма РК 3.01» зарегистрировала время выхода напряжения за НД в 9.17 %, а «Ресурс UF2M» не зафиксировал превышения напряжения за НД значения. При регистрации отклонения коэффициента 15-й и 21-й гармонической составляющей у приборов также было замечено неравенство в показателях. Для 15-й гармонической составляющей «Парма РК 3.01» зарегистрировала отклонение, равное 1.15 %, а «Ресурс UF2M» - 0.9 %. В 21-й гармонической составляющей показатели приборов довольно близки: так, «Парма РК 3.01» «показала» отклонение, равное 0.69 %, а «Ресурс UF2M» - 0.64 %.
Систематического отклонения показателей двух приборов друг от друга выявлено не было. Отклонения в показателях отличий приборов «Парма РК 3.01» от «Ресурс UF2M» носят хаотический характер, причины этого требуется исследовать отдельно. С одной стороны расхождения не критичны, однако ставят под сомнение адекватность результатов сертифицированных приборов.
Результатом регистрации показателей качества электроэнергии на трансформаторной подстанции ТП-92 (Т-2), обследуемой двумя различными регистраторами, стали неудовлетворительные результаты. При этом были выполнены расшифровка, систематизация и анализ результатов мониторинговых регистраций.
Десятилетний опыт регистраций Центра физико-технических проблем энергетики Севера на подстанциях Северо-Запада России показывает, что проблема качества электроэнергии характерна для любых сетей (как для промышленных, так и для городских). В проведенном исследовании выполнены мероприятия по регистрации показателей качества электроэнергии, расшифровке данных регистраторов и дальнейший их анализ.
Литература
1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.01.1999. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. 35 с.
2. Национальный стандарт РФ ГОСТ 51317-4-7-2008. Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам
66
измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. Введ. 01.01.2010. М.: Стандартинформ, 2009. 39 с.
3. Национальный стандарт РФ ГОСТ 51317-4-30-2008. Электрическая энергия.
Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерения показателей качества электрической энергии. Введ. 01.01.2010. М.:
Стандартинформ, 2009. 60 с.
4. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 53333-2008. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2009. М.: Стандартинформ, 2009. 31 с.
5. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. М.: Стандартинформ, 2014. 20 с.
6. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. Введ. 01.08.2002. М.: Энергосервис, 2003. 25 с.
7. Невретдинов Ю. М., Фастий Г. П., Ярошевич В. В. Анализ регистрации показателей качества электроэнергии на шинах питающих подстанций // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С.58-64.
8. Невретдинов Ю. М. Анализ результатов мониторинговой регистрации показателей качества электроэнергии / Ю. М. Невретдинов, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич, А. С. Карпов. Вестник МГТУ. 2014. Т. 17, № 1. 67-76 с.
9. Арефьева Ю. А. Обзор электропотребления разветвленной электрической сети напряжением 10/0.4 кВ Кольского научного центра Российской академии наук / Ю. А. Арефьева, А. Е. Веселов, А. С. Карпов, Е. А. Токарева, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 10. 2015. С.24-33.
10. Карпов А. С., Ярошевич В. В. Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса, способного локализовать источники искажения электроэнергии // Вестник Кольского научного центра РАН, 2014. № 4 (19). С.102-106.
11. Карпов А. С., Ярошевич В. В. Влияние нестационарных электромагнитных воздействий на силовые трансформаторы // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 8, 2014. С. 54-62.
12. Карпов А. С., Ярошевич В. В., Карпова О. М. Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 7. 2013. С 117-121.
13. Карпов А.С., Ярошевич В.В. Выявление направлений развития сетей 6-35 кВ на основе опыта мониторинговых исследований показателей качества электроэнергии высоковольтной сети Северо-Запада России: Материалы I Международного форума «Интеллектуальные энергосистемы». Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Т. 1. Томск. 2013. С. 163-167.
67
14. Веселов А. Е. Разработка технических мероприятий по экономии электроэнергии в городских электрических сетях Мурманской области / А. Е. Веселов, Е. А. Токарева, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Вестник КНЦ РАН. 2011. № 3 (6). С.59-62.
15. Невретдинов Ю. М. Проблемы контроля качества электроэнергии и выявления источников его снижения / Ю. М. Невретдинов, А. С. Карпов, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Научные труды Международной научнотехнической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи». Т. 3. Самара, 2011. С. 139-144.
16. Невретдинов Ю. М. Проблемы локализации источников искажений электроэнергии и определение вклада подключенных потребителей в искажение или нормализацию качества электроэнергии / Ю. М. Невретдинов, А. С. Карпов, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Труды Кольского научного центра. Энергетика. Вып. 1. 2010. С. 126-138.
17. Невретдинов Ю. М., Фастий Г. П., Ярошевич В. В. Проблемы локализации источника искажений качества электроэнергии // Сборник докладов
10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2008. СПб.: ВИТУ. 2008. С. 138-142.
Сведения об авторах
Шиханов Иван Сергеевич,
инженер-исследователь лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: shikhanovPhD @yandex.ru
Карпов Алексей Сергеевич,
старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: info@ien.kolasc.net.ru
Ярошевич Вера Васильевна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: yaroshevich_vera@mail.ru
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: fastiy@ien.kolasc. net. ru
Токарева Евгения Александровна,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
68
