Качество электроэнергии и энергоэффективность систем электроснабжения потребителей


В. А. Кобозев, И. В. Лыгин








КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3
ББК 31.2 К55



Реце нзе нт ы:
кафедра автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения СКФУ (заведующий д. т. н., проф. Ю. Г. Кононов); кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Ставропольского ГАУ (заведующий к. т. н., доц. А. В. Ефанов);
кафедра радиотехники и систем связи Технологического института сервиса (филиала) ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (заведующий к. т. н. М. Ф. Горяинов)






      Кобозев, В. А.
К55 Качество электроэнергии и энергоэффективность систем электроснабжения потребителей : учебное пособие / В. А. Кобозев, И. В. Лы-гин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 356 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0770-0

      Изложена концепция решения проблем повышения качества электроэнергии и энергоэффективности систем электроснабжения потребителей. Приведены методы анализа показателей качества, результаты их статистической обработки на реальных объектах, дан анализ процессов преобразования нагрузки в трансформаторах с различными схемами и группами соединения обмоток. Рассмотрены методы и технические средства повышения качества и снижения потерь электроэнергии в системах электроснабжения потребителей.
      Для студентов и аспирантов, обучающихся по различным профилям направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» и профилю «Инфокоммуни-кационные технологии объектов энергетики» направления «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Может быть полезно инженерно-техническим работникам и специалистам в области эксплуатации систем электроснабжения.

                                                           УДК 621.3
                                                           ББК31.2



ISBN 978-5-9729-0770-0   © Кобозев В. А., Лыгин И. В., 2022
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Предисловие

      Важнейшей задачей, поставленной в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», является повышение энергоэффективности электроэнергетики, под которой понимается передача, распределение и потребление электроэнергии с минимальными потерями при высоком ее качестве, обеспечивающем надежное функционирование современного высокотехнологичного оборудования.
      Для решения этой задачи Стратегией предусмотрено комплексное совершенствование системы образования и повышения квалификации специалистов всех уровней, и системы переквалификации и переподготовки кадров в соответствии с современными требованиями.
      В последние годы в программы подготовки специалистов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» различных профилей («Электрические сети и системы», «Электроснабжение», «Оптимизация развивающихся системы электроснабжения», «Интеллектуальные электроэнергетические системы» и других) включаются такие дисциплины, как «Качество электроэнергии и энергосбережение в электроэнергетике», «Энергосбережение и энергоэффективность систем электроснабжения», «Управление качеством электроэнергии», и другие. Энергетические профили и новые дисциплины («Информационно-коммуникационные технологии в энергетике», «Инфокоммуни-кационные технологии в сфере энергосбережения», «Контроль передачи, распределения и потребления электроэнергии» и другие) появились в направлениях подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Инфокоммуникационные технологии объектов энергетики»), и «Информационные системы и технологии» (профиль «Информационные системы и технологии в энергетике»).
      Наиболее остро проблема повышения качества электроэнергии и энергоэффективности стоит в электрических сетях низкого напряжения, к которым подключается абсолютное большинство самых различных бытовых и производственных потребителей. В силу существенных особенностей таких сетей в них имеют место наибольшие потери, и практически отсутствует контроль качества электроэнергии. Однако, именно эти проблемы пока не нашли должного освещения в технической и учебной литературе.
      Целью авторов при написании пособия была систематизация материалов в этой области и изложение их в удобной для изучения и использования на практике форме.

3

                            Памяти Павла Васильевича Коваленко посвящается

Введение

      Стратегическим направлением успешного развития экономики РФ, определенным в Федеральном законе №261-ФЗ «Об энергосбережении» от 23.11.2009 и его последующих редакциях, комплексном плане мероприятий по повышению энергетической эффективности экономики РФ, утвержденном распоряжением Правительства РФ № 703-р от 19.04.2018, и других нормативных документах, является существенное снижение энергоемкости ВВП и повышение энергетической эффективности.
      Энергетическая эффективность в области электроэнергетики представляет собой комплекс мероприятий, обеспечивающих уменьшение потерь электроэнергии, повышение производительности труда на основе внедрения энергосберегающих технологий и оборудования, рационализации режимов работы электроустановок, и других мероприятий, способствующих улучшению условий труда, качеству выполнения производственных процессов, и снижению энергоемкости.
      Потери электроэнергии в электрических сетях при ее передаче и распределении неизбежны, но их уровень существенно зависит от многих объективных и субъективных факторов.
      Мировая практика показывает, что при рациональном построении сетей и грамотной их эксплуатации потери могут быть доведены до уровня 4-5 % от общего отпуска электроэнергии, однако в России они значительно выше, и составляют в среднем 12-13 %, а в некоторых регионах достигают 30 % и более. Основная доля потерь приходится на распределительные сети 6-10 кВ, и особенно на сети 0,4 кВ, к которым подключается абсолютное большинство потребителей.
      Потенциал снижения потерь ЭЭ в РФ огромен, однако их уменьшение само по себе не является самоцелью, и не обеспечивает решения всех задач по повышению энергетической эффективности.
      Электроэнергия представляет собой товар особого рода, и должна обладать определенным качеством, под которым понимается совокупность свойств, обеспечивающих нормальное функционирование различных силовых электроустановок, аппаратов, приборов и других потребителей электроэнергии, а также электрических сетей при ее передаче, распределении и потреблении.


4

     Особенности электроэнергии как товара заключаются в том, что сама по себе она не является конечным продуктом, и не подлежит хранению, а процессы ее производства, передачи, распределения и потребления происходят одновременно, причем потребители являются непосредственными участниками этих процессов, и от них во многом зависят потери и качество ЭЭ.
     Все это объективно означает, что задачи повышения энергоэффективности в конечном итоге могут решаться только комплексно, с учетом всех вышеназванных особенностей.
     Можно выделить следующие направления в реализации задач повышения энергоэффективности в электрических сетях:
   1.  Применение современных приборов и систем учета и мониторинга количественных и качественных параметров электроэнергии.
   2.  Обоснование и внедрение организационных и технических мероприятий по уменьшению потерь электроэнергии.
   3.  Обоснование и внедрение организационных и технических мероприятий по повышению качества электроэнергии.
   4.  Улучшение технических характеристик, надежности функционирования и повышение энергоэффективности электрических сетей и электроустановок потребителей на этой основе.
     Решение первой задачи не только создает информационную основу для решения последующих задач, но и само по себе обеспечивает экономию энергоресурсов, достигающую 5-10 %.
     Вторая группа мероприятий направлена на снижение технологических и коммерческих потерь ЭЭ. Особенностью технологических потерь в линиях электропередачи, силовых трансформаторах, других элементах системы электроснабжения, и у потребителей, является то, что они объективно необходимы, и должны снижаться только до экономически обоснованного уровня. Коммерческие потери не являются объективно необходимыми, и вызываются неудовлетворительными режимами работы сетей и оборудования, хищениями, недоучетом электроэнергии, и т.п. В идеальном случае они отсутствуют.
     Особое значение третьей группы мероприятий обусловлено тем, что при возрастающей доле сложного высокотехнологичного оборудования, предъявляющего особые требования качеству ЭЭ, его повышению долгое время не уделялось должного внимания.
     Между тем, нарушения качества ЭЭ приводят к ряду отрицательных явлений в системах электроснабжения и у потребителей:

5

•    увеличиваются потери электроэнергии при передаче, распределении и потреблении;
•    сокращаются сроки службы трансформаторов, линий электропередачи, электроустановок и электроприборов потребителей;
•    ухудшаются технические характеристики электрооборудования, снижается его производительность, нарушается технология производства, снижается качество выпускаемой продукции, возникает брак;
•    увеличиваются затраты на установку оборудования повышенной мощности, защитных устройств, частый ремонт и др.;
•    нарушается нормальное функционирование устройств автоматики, релейной защиты и связи;
•    возникают сложности во взаиморасчетах за электроэнергию между поставщиками и потребителями.
      Все это в совокупности приводит к существенному снижению надежности и энергоэффективности функционирования систем электроснабжения и потребителей электроэнергии.
      Проблемы качества электроэнергии и ущерба от его нарушений наиболее остро стоят в сетях низкого напряжения с нулевым проводом, к которым подключается абсолютное большинство потребителей, и в которых сложнее всего вести мониторинг КЭ.
      Наибольшее значение для потребителей имеют показатели КЭ, характеризующие установившиеся режимы работы:
•    установившееся отклонение напряжения 8Uy;
•    коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям;
•    коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения Ки и коэффициент п-й гармонической составляющей Ки₍п₎.
      Научно-практическая проблема повышения энергоэффективности во многом обусловлена отсутствием доступных для низовых предприятий электрических сетей и широкого круга потребителей технических средств измерения, обеспечивающих регистрацию и длительное хранение данных о параметрах электроэнергии, и программного обеспечения для системной обработки информации, что объясняется очень высокой стоимостью существующих специализированных средств получения и обработки такой информации.

6

     Одним из первых исследователей этих проблем, наметившим пути их решения стал р В, Коваленко, идеи которого авторы пытались развивать в настоящей книге,
     Предлагается комплексное решение, основанное на разработке технических средств измерения параметров электроэнергии на базе многофункциональных СЭ и комплекса программ для информационного обеспечения мероприятий по повышению качества и снижению потерь электроэнергии в системах электроснабжения, Кардинальное решение проблемы стоимости основано на разделении процессов получения и последующей обработки информации,
     Задача непосредственного контроля параметров ЭЭ при этом фактически сводится к получению первичной информации с помощью многофункциональных счетчиков, а обработка полученных данных производится отдельно внешним устройством,
     Возможность использования современных многофункциональных счетчиков для этой цели основана на том, что они с высокой точностью измеряют все параметры ЭЭ, и отличаются от специализированных средств измерения качества лишь тем, что не имеют встроенных средств для длительного хранения полученных данных и обработки информации, Эти функции возлагаются на модуль технических средств для сбора информации, и комплекс программного обеспечения, которые расширяют возможности многофункциональных СЭ, но являются абсолютно независимыми, и никак не влияют на целостность и функционирование приборов учета по основному назначению,
     Такой подход кардинально решает проблему стоимости, и делает доступной для широкого круга потребителей возможность получения достоверных данных о параметрах электроэнергии с реальных объектов на практически неограниченных интервалах времени, Потребителям предоставляется набор эффективных программных инструментов для обработки и системного анализа полученных данных с целью разработки и обоснования мероприятий по повышению КЭ и энергоэффективности электрических сетей и потребителей,
     В первой главе излагаются проблемы качества и потерь электроэнергии в электрических сетях и у потребителей, приводится общая концепция их решения, оценивается влияние КЭ на энергоэффективность электрических сетей и характеристики типичных потребителей,
     Во второй главе обосновывается принципиальная возможность применения многофункциональных СЭ для инструментального контроля параметров электроэнергии, характеризующих ее качество, рас

7

сматриваются устройство сопряжения счетчика с персональным компьютером, программа для съема данных, алгоритмы и программа для их обработки, а также результаты производственных испытаний.
     Третья глава посвящена методам анализа и типизации систематических и случайных отклонений напряжения в электрических сетях с учетом законов распределения нагрузки на основе положений и критериев теории вероятностей и математической статистики.
     В четвертой главе рассматриваются методы и программы анализа систематической и случайной несимметрии токов и напряжений, и структурирования потерь мощности, важные особенности которых заключаются в учете комплексного характера всех изменяющихся параметров ЭЭ и приведении их к системе координат, неподвижной по отношению к системе напряжений прямой последовательности.
     В пятой главе приводятся результаты статистической обработки систематических и случайных отклонений и несимметрии напряжений по данным, полученным при проведении измерений параметров электроэнергии на различных реальных объектах.
     Шестая глава посвящена оценке коэффициентов искажения синусоидальности и гармонических составляющих напряжений и токов в коммунально-бытовых электрических сетях, и в сетях промышленного предприятия с нелинейными нагрузками.
     В седьмой главе обобщаются полученные |П. В. Коваленко! результаты анализа процессов преобразования несимметричной нагрузки в трансформаторах с различными схемами и группами соединения обмоток, и обосновывается принцип эквивалентности.
     В восьмой главе рассматриваются методы и технические средства уменьшения систематических и случайных отклонений и несимметрии напряжений в электрических сетях, анализируется симметрирующий эффект асинхронных электродвигателей.
     Девятая глава посвящена анализу методов и технических средств уменьшения потерь электроэнергии.
     Авторы выражают признательность коллективам кафедры автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения СКФУ (заведующий д.т.н., профессор Ю. Г. Кононов) и кафедры электроснабжения и эксплуатации электрооборудования СтГАУ (заведующий к.т.н., доцент А. В. Ефанов) за рецензирование книги и полезные советы, способствовавшие улучшению ее качества.
Авторы

8

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
И ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ИХ РЕШЕНИЯ

1.1. Понятие качества электроэнергии и нормативные требования к нему

     Электроэнергия (ЭЭ) представляет собой товар особого рода, и должна обладать определенным качеством, под которым понимается совокупность свойств, обеспечивающих нормальное функционирование различных силовых электроустановок, аппаратов, приборов и других потребителей электроэнергии, а также электрических сетей при ее передаче, распределении и потреблении.
     Особенности электроэнергии, как товара, затрудняющие определение его качественных показателей, заключаются в том, что она не подлежит хранению, а процессы ее производства, передачи, распределения и потребления идут одновременно.
     Долгое время вопросам качества электроэнергии (КЭ) не уделялось должного внимания, однако в настоящее время ситуация изменяется. Это обусловлено необходимостью повышения энергоэффективности экономики и возрастания доли сложного высокотехнологичного оборудования, предъявляющего повышенные требования к КЭ.
     Постановлением Правительства РФ «Об утверждении перечня товаров, подлежащих обязательной сертификации» и Законом РФ «О защите прав потребителей» электроэнергия включена в перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации.
     Основным нормативным документов для оценки КЭ в РФ является ГОСТ 32144-2013. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», который сменил действовавший с 1997 г. ГОСТ 13109-97. Оценка КЭ в этих документах дается с помощью показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
     Наибольшее значение для потребителей имеют следующие показатели КЭ, характеризующие установившиеся режимы работы систем электроснабжения:
•    установившееся отклонение напряжения 0Uy;


9

•     коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям;
•     коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения KU и коэффициент п-й гармонической составляющей Ки(П)-
      Согласно ГОСТ 32144-2013 нормативными показателями установившегося отклонения напряжения от номинального (или согласованного) значения являются его отрицательное 6U(.) и положительное значения 8U(+) в точке передачи электрической энергии, %:
и - uₘf.
su₍ ;= —------100 ;                    (1.1)
⁽⁾ и
uₘ₍₊₎ - и₀
gu ₌ _щ(+)------⁰100 ,                 (1.2)
⁽+⁾     тт                          v ⁷
U0
где Uₘ(.), Uₘ(₊) - значения напряжений, меньшие и большие U₀, усредненные в интервале времени 10 мин.; U₀- напряжение, равное стандартному номинальному или согласованному напряжению.
      В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение составляет: 220 В - между любым из фазных и нейтральным проводниками, и 380 В - между фазными проводниками.
      В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания Uc.
      Положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать ±10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
      Коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям вычисляются по формулам:
Kw = -^100% ; K0U = U⁰'l:-' 100%,            (1.3)
Ul(l)i             U 1(1)i
где U₁(₁)ᵢ, Ui(₁)ᵢ, Uo(₁)ᵢ - действующие значения напряжений прямой, обратной и последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений в i-ом наблюдении.
      Их значения, усредненные в 10 минутном интервале, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в 1 неделю и 4% в течение 100 % этого интервала.

10