Качество электроэнергии - достижение наилучших показателей

Качество электроэнергии - достижение наилучших показателей

Требования к качеству электроэнергии для обеспечения надёжности энергоснабжения

Что такое качество электроэнергии?

Ответ зависит от того, кому задаётся вопрос. Если поставщику электроэнергии, то качество электроэнергии здесь определяется:

• надёжностью системы, т.е. перебоями и оперативной готовностью, а именно количеством времени, в течение которого конечные пользователи были без электроэнергии;
• SAIFI – средним индексом частоты прерываний в работе энергосистемы (количество прерываний для потребителя);
• ASAI – индексом средней продолжительности питания потребителей, например, при доступности энергии в течение 8700 ч (8700/8760) = 99,32%.

А если вопрос о качестве электроэнергии задан изготовителю оборудования и конечным пользователям, то критерии качества электроэнергии:

• совместимость и нормальная работа в данных условиях эксплуатации;
• программное обеспечение и операционная система;
• совместимость характеристик системы с нагрузками;
• характеристики системы энергоснабжения, при которых оборудование работает нормально.

В стандарте IEEE Std 1100-1999 отражены «Рекомендованные решения по электропитанию и заземлению электронного оборудования»: реализация питания и заземления электронного оборудования способом, который обеспечивает нормальную работу этого оборудования, и совместим с электрической сетью и другим подключенным оборудованием.

Кто занимается поддержкой стандарта IEEE Std 1100-1999? Инженерный комитет по системам энергоснабжения департамента промышленно-коммерческих энергосистем Ассоциации прикладной техники IEEE (1999).

Классификация IEEE нарушений качества электроэнергии

IEEE даёт общую классификацию качества электроэнергии на основании основного содержания спектра, длительности, величины нарушений.

Таблица № 1. Категории и характеристики электромагнитных явлений в системах энергоснабжения

	Категории	Типовое содержание спектра	Типовая длительность	Типовая величина напряжения
1.0 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3	Переходные процессы Импульсные Наносекундные Микросекундные Миллисекундные Колебательные Низкочастотные Среднечастотные Высокочастотные	Фронт 5 нс Фронт 1 мкс Фронт 0,1 мс < 5 кГц 5 – 500 кГц 0,5 – 5 Мгц	< 50 нс 50 нс – 1 мс > 1 мс 0,3 – 50 мс 20 мкс 5 мкс	0 – 4 отн. ед. 0 – 8 отн. ед. 0 – 4 отн. ед.
2.0 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3	Изменения с малой длительностью Мгновенные Прерывание Провал Выброс Кратковременные Прерывание Провал Выброс Временные Прерывание Провал Выброс		0,5 – 30 пер. 0,5 – 30 пер. 0,5 – 30 пер. 30 пер. – 3 с 30 пер. – 3 с 30 пер. – 3 с 3 с – 1 мин. 3 с – 1 мин. 3 с – 1 мин.	< 0,1 отн. ед. 0,1 – 0,9 отн. ед. 1,1 – 1,8 отн. ед. < 0,1 отн. ед. 0,1 – 0,9 отн. ед. 1,1 – 1,4 отн. ед. < 0,1 отн. ед. 0,1 – 0,9 отн. ед. 1,1 – 1,2 отн. ед.
3.0 3.1 3.2 3.3	Длительные изменения Длительное прерывание Пониженное напряжение Перенапряжение		> 1 мин. > 1 мин. > 1 мин.	0 0,8 – 0,9 отн. ед. 1,1 – 1,2 отн. ед.
4.0	Несимметрия напряжения		Продолжительное состояние	0,5 – 2%
5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5	Искажения формы Постоянная составляющая Гармоники Интергармоники Периодические импульсные помехи Шум	0 – 100-я гармоника 0 – 6 кГц Широкополосный	Продолжительное состояние Продолжительное состояние Продолжительное состояние Продолжительное состояние Продолжительное состояние	0 – 0,1% 0 – 20% 0 – 2% 0 – 1%
6.0	Флуктуации напряжения	< 25 Гц	Периодически	0,1 – 7% 0,2 2 Pst
7.0	Изменения частоты		< 10 с

Колебательный переходный процесс

Это неожиданное изменение значений напряжения или (и) тока, находившихся в устойчивом состоянии, с частотой, не равной частоте сети, включающее в себя как положительные, так и отрицательные значения. Переходные процессы возникают:

• при коммутации конденсаторов
• при подключении заряженных конденсаторов
• при коммутация кабельных линий при феррорезонансе

Таблица № 2.Категории колебательных переходных процессов

Категории	Типовое содержание спектра	Типовая длительность	Типовая величина напряжения
1.2 Колебательные 1.2.1 Низкочастотные 1.2.2 Среднечастотные 1.2.3 Высокочастотные	< 5 кГц 5 – 500 кГц 0,5 – 5 МГц	0,3 – 50 мс 20 мкс 5 мкс	0 – 4 отн. ед. 0 – 8 отн. ед. 0 – 4 отн. ед.

Переходный процесс при включении конденсаторной батареи

Форма напряжения Форма тока в фазе А

Изменения с малой длительностью: провалы напряжения

Провал напряжения – это кратковременное (0,5 – 30 периодов) уменьшение действующего значения напряжения на частоте сети.

Прерывание – это полное отсутствие напряжения: кратковременные – от 0,5 до 3 с,

временные – от 3 с до 1 мин., длительные – более 1 мин. Характеристики: величина напряжения, длительность. Причины провалов напряжения: аварии в системе, включение мощных нагрузок, например, двигателей.

Изменения с малой длительностью: кратковременные прерывания

Действующие значения трёхфазного напряжения в результате отключения и последующего повторного включения. Измерения на стороне нагрузки устройства повторного включения.

Длительные прерывания

Отключение электроэнергии представлено на рисунке ниже. Указано трёхфазное действующее значение. Напряжение было отключено на вводе в бизнес-центре.

Стоимость нарушений качества электроэнергии: EPRI/CEIDS 2001

Отключение электроснабжения (кратковременные и длительные прерывания) от 104 млрд. до 164 млрд. долларов в год. Проблемы качества электроэнергии (переходные процессы, провалы, гармоники) от 15 млрд. до 24 млрд. долларов в год.

Концепция Grid 2030 для качества электроэнергии

Grid 2030 создаёт конкурентный рынок электроэнергии в Северной Америке, создаёт возможность подключения к неограниченной, доступной, свободной от помех иискажений, эффективной и надёжной системе энергоснабжения в любом месте и обеспечивает наилучший и наиболее безопасный сервис.

2010	2020	2030
Пользовательский шлюз для следующего поколения интеллектуальных счётчиков, позволяющий установить двухстороннюю связь и транзактивный интерфейс потребитель – поставщик. Интеллектуальные дома и оборудование, подключенное к сети. Программы для привлечения потребителей к участию в рынке электроэнергии через управление энергопотреблением и распределённой генерацией. Современные композиционные проводники для увеличения пропускной способности. Региональные планы расширения и модернизации сети.	Полные энергетические системы потребителей для обеспечения электроэнергией, обогрева, охлаждения и регулирования влажности с функцией plug&play с возможностью аренды и ипотеки. Наилучшее качество электроэнергии с автоматической коррекцией напряжения, частоты и коэффициента мощности. Значительное распространение получат генераторы, трансформаторы и кабели с высокотемпературной сверхпроводимостью. Сверхпроводящие кабели передачи на большие расстояния.	Высоконадёжная безопасная сеть с цифровым качеством для потребителей, которым это необходимо. Доступная в любой точке страны экологически чистая электрическая генерация без загрязнений. Общедоступные устройства хранения энергии. Завершение создания национальной (или континентальной) сверхпроводящей магистральной линии.

Основные причины нарушений качества электроэнергии

Основные причины: ток и импеданс

Значительные отклонения формы напряжения от синусоидальной приводят к неисправностям или неправильной работе оборудования. Напряжение зависит от тока, протекающего через импеданс системы. Если форма тока, проходящего через импеданс системы, сильно отклоняется от нормальной, это влияет на качество напряжения.

Ток и импеданс

От чего зависит искажение тока?

Гармоники: токи зависят от конечных пользователей, так как их оборудование потребляет токи из системы. Токи короткого замыкания: аварии в системе приводятк провалам или прерываниям. Грозовые разряды: их токи приводят к возникновению импульсов высокого напряжения и, вследствие этого, электрического пробоя.

От чего зависит импеданс?

От поставщиков электроэнергии: воздушные линии, подземные линии, трансформаторы.

Чтобы получить идеальное решение для всех проблем качества электроэнергии, необходимо избавиться от ненормальных токов и импедансов системы.

Первая проблема качества электроэнергии: искажённая форма напряжения

В 1890-е годы электроэнергетика только начала развиваться. Симптомы характерные для качества электроэнергии в 1893 г.: высокое напряжение и высокие токи вдвигателях; перегрев двигателей; генератор находился на расстоянии 10 миль.

Основная причина возникновения проблем качества электроэнергии: форма напряжения на выходе генератора была несинусоидальной, а синхронный генератор имел нераспределённые обмотки, и присутствовал резонанс линии передачи.

Решение, которое было найдено в 1895г.: применение распределённых обмоток, форма напряжения стала очень близкой к синусоидальной, проблемы качества электроэнергии на выходе генератора исчезли.

Технологии, с помощью которых можно избавиться от ненормальных токов и от импедансов системы, являются комплексным решением для всех проблем качества электроэнергии.

Наиболее распространённые нарушения качества электроэнергии: изменения с малой длительностью

Изменения с малой длительностью: мгновенные – 0,5 – 30 периодов, кратковременные – 30 периодов - 3 с, временные – 3 с – 1 мин.

Провалы напряжения: короткие замыкания или аварии, запуск мощных промышленных двигателей (пусковые токи). Прерывания (напряжение меньше 0,1 отн. ед.). Работа устройств защиты и АПВ. На рисунке ниже представлены провалы напряжения из-за трёхфазного короткого замыкания в распределительном фидере 12,47 кВ.

Провалы напряжения и кратковременные прерывания

Пример устранения короткого замыкания с помощью АПВ

Последовательность событий

Как избавиться от ненормальных токов?

Токи короткого замыкания: профилактика (контроль, техническое обслуживание и т.п.).

Улучшение методик обнаружения и устранения замыканий. Рассогласование перегрузок.

Растущая проблема: уровни гармонических искажений

Причины роста уровней гармонических искажений:

• всё более и более увеличивающееся количество нелинейных нагрузок: энергоэффективные устройства, электротранспортные средства, нагрузки, подключаемые сприменением силовой электроники;
• применение широко распространённых конденсаторных батарей приводит к появлению или изменению резонансных частот системы;
• резонанс импеданса системы на частотах гармоник более вероятен.

Параллельный резонанс

Если резонансная частота системы соответствует частоте одной из гармоник, произведённых нелинейной нагрузкой, может возникнуть гармонический резонанс.

Способы избавиться от ненормальных токов

Токи гармоник: фильтры гармоник (пассивные, активные и гибридные).

Грозовые разряды: улучшение экранирования, грозозащитное заземление, улучшение параметров разрядников.

Растущая проблема: флуктуации напряжения

При флуктуациях напряжения возникают мерцания напряжения. Данные мерцания напряжения могут быть вызваны: дуговыми печами, сварочными установками, непостоянными источниками энергии (ветроэнергетические установки), колебаниями скорости ветра, порывистым ветром, «затенением» башни.

Растущая проблема: стабилизация напряжения

Стабилизация напряжения в фидере с непостоянными источниками энергии очень трудна:

имеющаяся практика не даёт хорошие результаты и чрезмерное количество операций коммутации регуляторов и конденсаторных батарей приводит к росту проблемы стабилизации напряжения.

Способы устранения импеданса

Технологии сверхпроводимости: воздушные и подземные линии, трансформаторы, электрические машины. Беспроводная передача энергии с помощью магнитного резонанса с сильной связью.

Способы достижения наилучшего качества электроэнергии

К основным способам относится:

• избавление и предотвращение попадания в сеть нежелательных токов;
• минимизация и избавление от импедансов системы;
• необходимость в новых технологиях и методиках.