Мониторинг качества электроэнергии

В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина








            МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ


Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.313
ББК 31.27-082
      Б64



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий Казанского государственного энергетического университета Е. И. Грачева;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и электроэнергетики Курской государственной сельскохозяйственной академии им. И. И. Иванова
В. И. Серебровский

      Бирюлин, В. И.
Б64       Мониторинг качества электроэнергии : монография / В. И. Бирюлин,
      Д. В. Куделина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 144 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1247-6

           Рассмотрены вопросы нормирования и контроля качества электроэнергии в системах электроснабжения различных потребителей, способы определения расположения различного электрооборудования и электроприемников, работа которых приводит к нарушениям качества электроэнергии.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», а также инженерно-технических работников, занимающихся электроэнергетикой.

УДК 621.313
                                                           ББК 31.27-082

Печатается, в авторской редакции


           Публикация выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук MK-5109.2022.4 «Разработка автоматизированной системы выявления объектов, оказывающих негативное влияние на качество электроэнергии».




ISBN ⁹⁷⁸⁻⁵⁻⁹⁷²⁹⁻¹²⁴⁷⁻⁶       © Бирюлин В. И., Куделина Д. В., 2023
                             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.............................................. 4
ВВЕДЕНИЕ................................................. 5
1. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ . . .      8
1.1. Качество электроэнергии............................. 8
1.2. Показатели качества электроэнергии................. 11
1.3. Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников и электрических сетей................................... 26
2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ........... 47
2.1. Мероприятия по регулированию и поддержанию частоты. 47
2.2. Мероприятия по регулированию и поддержанию напряжения . . .  65
2.3. Мероприятия по снижению быстрых изменений напряжения . . . . 76
2.4. Мероприятия по снижению высших гармоник............ 84
2.5. Мероприятия по снижению несимметрии в трехфазных электрических сетях..................................... 91
3. МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ............          95
3.1. Мониторинг источников фликера в системах электроснабжения........................................ 95
3.2. Мониторинг источников высших гармоник в системах электроснабжения........................................ 105
3.3. Мониторинг источников напряжения обратной последовательности в системах электроснабжения......... 112
3.4. Мониторинг источников напряжения нулевой последовательности в системах электроснабжения......... 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................. 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 136

3

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     Данная монография предназначена для изучения студентами, магистрами и инженерно-техническими работниками, занятыми в электроэнергетике. Материал монографии может быть использован для изучения основных методов и способов определения показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения.
     Издание рассматривает вопросы нормирования и поддержания требуемого качества электроэнергии, моделирование процессов, связанных с определением мест в системах электроснабжения, где возникают нарушения качества электроэнергии. Материал монографии разделен на три части.
     В первой части рассматриваются показатели качества электроэнергии и негативные последствия для систем электроснабжения и потребителей электроэнергии при нарушениях качества электроэнергии. Во второй части излагается применение различных мероприятий по обеспечению требуемого качества электроэнергии. В третьей части рассматривается использование упрощенных методов для выявления в электрических сетях электрооборудования и потребителей электроэнергии, работа которых сопровождается нарушением качества электроэнергии, позволяющих повысить эффективность процессов мониторинга качества электроэнергии.
     Подробное рассмотрение применения компьютерных моделей, разработанных авторами для изучения процессов в системах электроснабжения, связанных с качеством электроэнергии, и большое количество экспериментальных результатов, полученных авторами, является основным отличием данной монографии от ранее вышедших изданий.
     Авторы приносят извинения читателям за возможные допущенные ошибки при подготовке издания. Все замечания и предложения будут с благодарностью приняты.

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Успешное развитие рыночной экономики в России может быть обеспечено на основе постоянного роста базовых ее отраслей, в том числе и электроэнергетики. Электрическая энергия в настоящее время является одним из главных компонентов, необходимых для нормального существования современного общества, а также является товарной продукцией.
     Как и другие товары, электроэнергия должна иметь соответствующее качество, или же совокупность некоторых свойств данного товара, определяющих его способность удовлетворять существующие или предполагаемые потребности потребителей. Качество электроэнергии оказывает огромное влияние на нормальное функционирование как потребителей электроэнергии, относящихся к промышленности, сельскому хозяйству, жилищно-коммунальной сфере, транспорту, так и на процессы работы электроэнергетических систем [1-3].
     Все электроприемники, выпускаемые промышленностью, рассчитаны для нормальной работы при заданных параметрах подводимой к ним электроэнергии: частоте, напряжении на зажимах электроприемника и т. п. Поэтому для обеспечения надежной и долговременной работы должны быть выполнены установленные требования к качеству электрической энергии.
     Для контроля качества электроэнергии используются такие понятия, как показатели качества электроэнергии (ПКЭ) [4]. Каждый из этих показателей имеет свои соответствующие нормы, установленные действующим в настоящее время межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [5].
     Данный ГОСТ предусматривает деление изменений характеристик напряжения электропитания, контролируемых в точке передачи электрической энергии конкретному пользователю электрической сети, включающих в себя частоту, значения, форму напряжения в этой точке электрической сети, а также симметрии фазных напряжений при рассмотрении трехфазных системах электроснабжения, на две категории:


5

     —  продолжительные изменения характеристик напряжения;
     —  случайные события.
     К продолжительным изменениям характеристик напряжения относятся длительные отклонения перечисленных выше характеристик напряжения от своих номинальных значений. Они создаются под действием изменений нагрузки потребителей или же если к сети подключены нелинейные нагрузки. Стандарт ГОСТ 32144-2013 устанавливает нормативные значения ПКЭ для продолжительных изменений характеристик напряжения в электрической сети, включая частоту, форму напряжения, а также симметрию напряжений в трехфазных системах.
     Нарушение требуемого качества электрической энергии представляет в настоящее время не только чисто российскую проблему, но также и всего мира. Поэтому в зарубежных странах, как и в России, действуют нормативные документы, устанавливающие соответствующие требования к качеству электрической энергии. Так, в Европе основным нормативным документом для оценки качества напряжения является ЕН 50160:2010 «Характеристики напряжения электричества, поставляемого общественными распределительными сетями» (EN 50160:2010 «Voltage characteristic s of electricity supplied by public distribution networks») [6]. Аналогичные по назначению документы имеются и в других странах.
     Исследования проблем обеспечения надлежащего качества электроэнергии проводились и проводятся в настоящее время многими учеными и инженерами как в России, так и за рубежом, в работах Наумова А. А. [1], Семёнова А. С., Бондарева В. А., Заголило С. А. [2], Ашуева Р. М. [3], Рахимова О. С., Мирзоева Д. Н., Грачевой Е. И. [5], Косоухова Ф. Д. [7], Коверниковой Л. И., Тульского В. Н., Ша-монова Р. Н. [8], Kusko A., Thompson M. T. [9], Bernard S., Fiorina J. N., Gros В. Et al [10], Bernard S., Fiorina J. N., Gros В. Et al [11], Pispiris S., Widmer J., Stanescu С. [12], Gosbell V. J., Muttik P. K. [13], Ilisiu D. [14] изучаются вопросы мониторинга качества электроэнергии в различных электрических сетях и возникающие проблемы при нарушении качества. В работе Коверниковой Л. И.,

6

Тульского В. Н., Шамонова Р. Н. [8] рассматривались проблемы качества электроэнергии на уровне ЕЭС России. Авторы перечисленных исследований не изучали возможности применения упрощенных способов для анализа качества электроэнергии.
     Большинство этих исследований рассматривают влияние снижения качества электроэнергии на работу электроприемников промышленных предприятий [7, 8, 15—17]. В данных работах показывается, что при пониженном качестве электрической энергии возникают различные негативные последствия, например, снижение светового потока электрических источников света при отклонении значения напряжения в меньшую сторону от номинальной величины, или сокращение срока службы этих источников при отклонении значения напряжения в большую сторону от номинала.
     Но кроме промышленности, вопросы поддержания значений ПКЭ в нормативных рамках важны и для других потребителей, а также и для электроэнергетической отрасли. Существование проблемы нарушения качества электроэнергии также подтверждается различными источниками. Так, в [18] приводятся данные, что согласно обзорам результатов проведенных измерений ПКЭ, видно, что нарушения нормативных требований к значениям ПКЭ встречаются во многих случаях практически для всех энергосистем России. Известна оценка, согласно которой общий ущерб, возникающий из-за низкого качества электрической энергии, может достигать, по минимальной оценке, около 25 млрд долларов в год [19].
     Поэтому авторами показана важность проблемы обеспечения надлежащего качества электроэнергии не только для электроприемников промышленных предприятий, но и для других потребителей электроэнергии. Также авторы данной работы рассмотрели возможности использования упрощенных способов определения мест расположения электрооборудования и электроприемников, при работе которых возникает нарушение качества электроэнергии.

7

        1. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

        1.1 Качество электроэнергии

      В современном обществе электрическая энергия относится к товарной продукции, следовательно, электрическая энергия должна иметь определенные свойства, характерные для данной продукции в целом. Поэтому, как и в целом для товаров других видов, электрическая энергия должна соответствовать требованиям по обеспечению нормативных требований к своему качеству. Поддержание качества электроэнергии в установленных границах создает необходимые условия для обеспечения нормальной работы оборудования электрических сетей, трансформаторных подстанций и различных электроприемников, принадлежащих промышленным, бытовым и другим потребителям. Следовательно, обеспечение требуемого качества электрической энергии в заданных пределах, относится к главным функциям работы электроэнергетических систем, так и систем электроснабжения потребителей.
     Качество электрической энергии нормативным документом определяется как степень соответствия характеристик электроэнергии в рассматриваемой точке электрической системы совокупности нормированных показателей. Нормирование качества и показателей качества осуществляется ГОСТ 32144-2013, принятым Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации и введенным в действие на территории Российской Федерации с 01 июня 2014 года [4, 8].
     Этот стандарт устанавливает требования к качеству электроэнергии в виде определенных показателей и норм не на зажимах электроприемников, а в точках передачи электрической энергии от энергоснабжающих организаций пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц.


8

      Эти точки, в которых происходит передача электрической энергии от поставщиков к потребителям определяется в соответствие с ГОСТ 32144-2013 как точка электрической сети, находящаяся на линии раздела объектов электроэнергетики между владельцами по признаку собственности или владения на ином предусмотренном законами основании, определенная в процессе технологического присоединения.
      Требования к качеству электроэнергии, устанавливаемые ГОСТ 32144-2013 применяются при установлении норм качества электроэнергии в электрических сетях, относящихся к следующим видам систем электроснабжения:
      -      систем электроснабжения общего назначения, присоединенных к Единой энергетической системе;
      -      изолированных систем электроснабжения общего назначения (автономным системам электроснабжения).
      Требования стандарта ГОСТ 32144-2013 должны применяться во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения, за исключением режимов, возникающих по следующим причинам:
      -      появлением обстоятельства непреодолимой силы, в том числе: землетрясений, наводнений, ураганов, пожаров, гражданских беспорядков, военных действий;
      -      опубликованием нормативно-правовых актов органов власти, устанавливающих правила временного энергоснабжения;
      -      введением временного электроснабжения пользователей электрических сетей в целях устранения неисправностей или выполнения работ по минимизации зоны и длительности отсутствия электроснабжения.
      Стандарт ГОСТ 32144-2013 применяется при установлении и нормировании показателей качества электрической энергии, определяющих характеристики напряжения электрических сетей, относящихся к частоте, значениям и форме напряжения, и дополнительно к симметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения.

9

     Перечисленные характеристики напряжения не являются постоянными при работе систем электроснабжения, как общего назначения, так и автономных. Причины этого явления состоят в изменениях нагрузки потребителей, влияния кондуктивных (распространяющихся по проводам) электромагнитных помех, создаваемых отдельными видами электрооборудования и некоторыми электроприемниками, и возникновения неисправностей, вызываемых, в основном, внешними событиями.
     В результате действия данных факторов происходят случайные по своей природе изменения характеристик напряжения во времени в любой, произвольно взятой точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети. Эти изменения характеристик напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети, включающих частоту, значения, форму напряжения и симметрию напряжений в трехфазных системах электроснабжения общего назначения и автономных, подразделяют на две категории - продолжительные изменения характеристик напряжения и случайные события.
     Продолжительные изменения характеристик напряжения электропитания являются длительными отклонениями характеристик напряжения от номинальных значений и создаются в основном изменениями нагрузки, например в течение суток, или влиянием подключенных к электрической сети нелинейных нагрузок.
     В свою очередь случайные события представляют собой внезапные и значительные изменения формы напряжения, приводящие к отклонению его параметров от номинальных. Эти изменения напряжения, как правило, вызываются непредсказуемыми событиями, например, возникновение коротких замыканий с последующим отключением поврежденного элемента или внешними воздействиями.
     Применительно к продолжительным изменениям характеристик напряжения электропитания, относящихся к частоте, значениям, форме напряжения и


10

симметрии напряжений в трехфазных системах, ГОСТ 32144-2013 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии.


        1.2 . Показатели качества электроэнергии

1.2.1. Отклонение частоты

     Частота переменного напряжения в электрических сетях f принадлежит к важнейшим параметрам работы всей электроэнергетической системы. Текущее значение частоты зависит от выполнения в данный момент времени баланса между генерацией активной мощности и её потреблением.
     При нарушении этого баланса, например из-за увеличения мощности потребителей в системе происходит снижение частоты. Так как мощность большинства электроприемников зависит от частоты в различной степени, то на некотором значении частоты устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности. Если возникает избыток генерируемой мощности, то происходит повышение частоты в системе.
     Частота переменного напряжения определяется как частота повторения колебаний основной гармоники переменного напряжения в электрической сети, измеряемая для её контроля в течение заданного нормативными документами интервала времени.
     Номинальная частота представляет собой номинальное значение частоты переменного напряжения или же напряжения электропитания.
     Для частоты ГОСТ 32144-2013 устанавливает следующий показатель качества — отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения. Это отклонение обозначается как Дf и измеряется в Гц. Расчет данного показателя производится по следующей формуле:

Дf = fm — fnom,                       (1)

11