Обеспечение качества электрической энергии в системах электроснабжение предприятий

Учебное пособие

Киров 2007

УДК 621.311.1

В.В.Черепанов Способы и средства повышения качества электрической энергии – Киров.

Учебное пособие представляет собой краткий конспект лекций по разделу «Обеспечение качества электрической энергии» дисциплины «Электромагнитная совместимость». Рекомендуется для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» и 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

Пособие подготовлено на кафедре электроснабжения Вятского государственного университета.

1. Электромагнитная совместимость технических средств

Электрические приборы, аппараты и электрооборудование предназначены для нормального функционирования в различных эксплуатационных условиях. При этом происходит их взаимодействие с окружающей средой (обстановкой), в которой и проявляются функциональные характеристики электрических приборов. Окружающая среда может воздействовать на технические средства агрессивно или благоприятно, ограничивая или расширяя функциональные возможности приборов. В свою очередь, технические средства могут воздействовать на среду. Если взаимодействие имеет агрессивный характер, то среда и технические средства несовместимы, что приводит к недопустимому нарушению функциональных свойств электрооборудования. Поэтому взаимодействие должно быть сбалансировано до уровня совместимости среды и технических средств, когда их взаимное влияние не нарушает условий, необходимых для нормального функционирования.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) характеризуется не только взаимодействием между электрическими приборами, аппаратами, электрооборудованием и электромагнитной средой, но и взаимодействием этих технических средств. Под ЭМС понимают способность электротехнических средств или их элементов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны.

Если ЭМС не обеспечена, т.е отдельные элементы электротехнических средств или прибор не обладают заданной помехоустойчивостью к внутренним (между элементами) и внешним (по отношению к прибору) помехам, то тем самым создаются условия для:

- функциональных нарушений с большими или меньшими последствиями, связанными с отказами, сокращением срока службы и выходом из строя оборудования, браком продукции, авариями, ложными срабатываниями защиты и автоматики и т.п;

- повреждений средств защиты и безопасности людей;

- ухудшения качества электроэнергии;

- ухудшения электромагнитной обстановки в окружающем пространстве;

- поражения обслуживающего персонала.

Предпосылкой для этого являются неучтенные ЭМП или ЭМП, защита от которых не предусмотрена.

Электромагнитная помеха (ЭМП) – это случайное электромагнитное воздействие, способное вызывать в электротехническом устройстве нарушение функционирования, отказ, разрушение. Помеха может проявляться в виде импульсов тока, напряжения, электромагнитного поля. Различают кондуктивные и полевые ЭМП. Кондуктивные помехи распространяются по проводам, в частности, по электрической сети. Полевые помехи распространяются через окружающее пространство.

Помехи создаются источниками помех, которыми могут быть как электротехнические средства, так и электротехнологические процессы. Например, воздушная линия высокого напряжения (электротехническое средство) создает полевые помехи при передаче электроэнергии (технологический процесс), влияющие на линии связи. Напряженность электрического и магнитного полей вокруг линии электропередачи характеризует электромагнитную обстановку. Преобразователи тяговой подстанции электрифицированного транспорта создают кондуктивные помехи в электрической сети, к которой они подключены. Искажение синусоидальной формы напряжения под воздействием протекающих по электрической сети высших гармоник тока характеризуют электромагнитную обстановку в этой сети.

Электромагнитная обстановка как совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемой среде, описывается характеристиками источников помех, параметрами их воздействия, особенностями электротехнических средств, мероприятиями, направленными на обеспечение ЭМС, а также внешними факторам, влияющими на указанные характеристики(климатические, механические, производственные и т.п). Важной характеристикой электромагнитной обстановки является уровень ЭМС – установленное значение ЭМП, при которой с наибольшей вероятностью гарантируется нормальное взаимодействие всех технических средств, являющихся как источниками помех, так и средствами, восприимчивыми к этим помехам. Так, показатели качества электроэнергии являются теми уровнями ЭМС электрической сети, при которых гарантируется нормальное функционирование любых электротехнических средств, подключенных к этой сети, если эти ПКЭ не превосходят допустимых значений. С другой стороны, электротехнические средства характеризуются своими допустимыми уровнями ЭМС, которые определяют их помехоустойчивость, при которой гарантируется нормальное функционирование этих средств. Уровни помехоустойчивости должны быть выше значений ПКЭ в электрической сети.

Уровень ЭМП может достичь порогового значения, превышающего уровень помехоустойчивости устройства, что вызовет нарушение его функционирования (отказ). Такое пороговое значение называется помеховосприимчивостью. Нарушение функционирования может быть обратимым или необратимым. В первом случае, после снятия нарушающего воздействия или снижение уровня ЭМП, устройство восстанавливает свои функциональные возможности. Во втором случае, под воздействием помехи произошли необратимые изменения в элементах устройства, в результате чего устройство утратило свои функциональные возможности.

Многие виды кондуктивных помех приводят к дополнительному нагреву электрооборудования или его элементов под воздействием повышенного напряжения, токов высших гармоник и токов обратной последовательности.

Дополнительный нагрев приводит к нарушению изоляции, разрушению конструктивных элементов электрооборудования и, таким образом, к необратимому нарушению его функционирования. Эффект от дополнительного нагрева проявляется со временем. Поэтому время воздействия ЭМП может быть разным. Если воздействие рассматриваемых помех было кратковременным, то после их устранения устройство не утратит своих функциональных возможностей. Например, нормально допустимые уровни ЭМС электрической сети, ее ПКЭ могут быть превышены, но не более чем в течение 72 минут за сутки.

На рисунке 1.1 приведены уровни электромагнитных помех 1 в точке подключения электроприемника (ЭП) к электрической сети. При этом помехостойчивость 2 электроприемника и его помеховосприимчивость 3 остаются постоянными, а уровень помех 1 в сети возрастает.

Рис. 1.1.Характеристика электромагнитной среды по уровням ЭМС.

а - ненормальное функционирование ЭП;

б - нормальное функционирование ЭП может быть обеспечено, если воздействие ЭМП ограничено во времени;

в – нормальное функционирование невозможно.

В целом научно-техническая проблема качества электроэнергии КЭ как составная часть ЭМС технических средств весьма обширна и включает в себя:

- изучение источников и видов помех;

- изучение воздействия и восприимчивости оборудования к тем или иным видам помех и их уровням;

- изучение распространения помех по сети;

- изучение способов и средств снижения уровня помех и их технико-экономическую оценку;

- разработку нормативных документов, определяющих допустимые уровни помех, вносимых в электрическую сеть, и уровни помеховосприимчивости электроприемников;

- разработку средств и методов измерения уровней помех.

Воздействие помех в зависимости от их вида разделяют на электротехнические (нагрев, износ изоляции, сокращение срока службы электрооборудования и т.п) и технологические (брак продукции, нарушение технологического процесса и т.п). Отрицательное воздействие помех оценивается материальным ущербом. Общий ущерб от низкого КЭ в сетях СССР в ценах 1985г.оценивался в 2,5 млрд.руб. Технологическая составляющая в этой сумме ущерба достигала 80%, снижение сроков службы электрооборудования составляло 13%, увеличение потерь электроэнергии – 7%. В целом ущерб составил приблизительно 15% стоимости всей электроэнергии, производимой в стране (почти 1800 млрд. кВт ч в год).

Увеличение количества и мощностей электроприемников, влияющих на КЭ (источников искажения), с одной стороны, и необходимость обеспечения ЭМС электрических сетей и технических средств, подключаемых к ним, с другой стороны, привели к необходимости нормирования уровня помех в системах электроснабжения. Требования к КЭ устанавливаются, как правило, в точках общего присоединения (ГОСТ 13109-97).

Нормы, устанавливаемые ГОСТ 13109-97, применяют при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при установлении уровней помехоустойчивости приемников электрической энергии и уровней кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приемниками.

Таким образом, нормы КЭ, устанавливаемые стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей (электроприемников) электрической энергии. Способы и технические средства должны быть направлены на минимизацию уровней помех вносимых их источниками в электрическую сеть, и, таким образом, на обеспечение качества электроэнергии в этой сети на уровне, установленным ГОСТ 13109 – 97.

Необходимо подчеркнуть, что снижать уровни искажений напряжения до нулевых или близких к нулевым значениям технически и экономически невыгодно. В то же время нужно иметь в виду, что целенаправленная коррекция одного вида помех параметрически может влиять на уровни и распространение других, ослабляя или усиливая их влияние на КЭ.