регулятор реактивной мощности Компенсация реактивной мощности, УКРМ
По всем вопросам пишите и звоните: E-mail: ukrm2014@gmail.com  моб:8-987-961-7173  Skype: ukrm2010  
Что, где и почем?
Индикаторы ЕЭС

Системный оператор Единой энергетической системы

Авторизация !





Забыли пароль?
Вы не зарегистрированы. Регистрация
Оборудование для ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Последние новости
 
Главная arrow Статьи arrow Качество электроэнергии - самостоятельная оценка и анализ
Качество электроэнергии и энергосбережение
    Нормативные документы по качеству электроэнергии и энергосбережению             Производители приборов - анализаторов электросети             Энергоаудит, консалтинг и инжиниринг             Библиография и глоссарий     
Качество электроэнергии - самостоятельная оценка и анализ Версия для печати Отправить на e-mail
01.02.2014
Image  Hans De Keulenar

РУКОВОДСТВО
по самостоятельному анализу качества электроэнергии 
 Введение

Это руководство позволяет быстро провести оценку существующей ситуации, чтобы решить, следует ли в вашей организации принять программу повышения качества электроэнергии (PQ). Список потенциальных PQ проблем на удивление большой. PQ проблемы сложны, и часто для их диагностики и решения должна быть собрана экспертная группа. Такое явление, как перегрев оборудования, может иметь разные причины (гармоники, дисбаланс, перегрузки), и каждая из них должна решаться отдельно.

Вы, вероятно, имеете проблемы с PQ?

 
Имеете Вы или нет проблемы из-за  качества электроэнергии, зависит от:

- качества напряжения, поставляемого Вам энергосистемой;
- типа Ваших нагрузок;
- чувствительности Вашего оборудования к различным видам нарушений электроснабжения.
 
Не существует одного, универсального решения этих проблем. Оптимальные технико-экономические решения должны быть разработаны для каждого объекта отдельно, с учетом указанных выше трех взаимодействующих факторов. В этом руководстве не рассматриваются проблемы PQ в коммунальной сфере, которые подробно освещены в другом месте; основное внимание уделяется аспектам качества электроэнергии, которые находятся под контролем энергоменеджмента  промышленных объектов.

Типичные проблемы


Следующий контрольный список дает обзор наиболее часто встречающихся проблем с качеством электроснабжения.
По данным исследования, проведенного ECI (Европейский  Институт Меди)  с охватом 1400 объектов – потребителей электроэнергии -  в 8 европейских странах, любой из них с вероятностью 5-20% имеет от одной или более перечисленных проблем.
Как правило, половина потребителей электроэнергии в энергоемких отраслях или критически важных объектах коммерческого сектора (здания офисов), будет страдать от двух или более проблем. Очень немногие потребители имеют бесперебойное питание (см. Рис.1).

Image
Рис.1 - Самые распространенные проблемы PQ, по опросу 1400 потребителей в 8 странах

 

Конечно, низкое качество электроснабжения  не является причиной каждой из перечисленных проблем. Например, компьютерные «зависания»  могут быть связаны с программным обеспечением. Кроме того, выяснение  места появления проблемы  - либо до счетчика (то есть на стороне поставщика) либо после счетчика (т.е. на стороне потребителя)  - достаточно сложно без детального измерения и анализа.

«Зависания» компьютеров  

Появление  токов утечки на землю из-за ошибок в выполнении системы заземления приводит к  падению напряжения между IT – оборудованием и «чистой» землей. Возникающее при этом напряжение шума, само по себе небольшое,  может быть значительным по сравнению с напряжением сигналов (в несколько вольт) в IT - оборудовании. Само устройство ПК минимизирует чувствительность к таким возмущениям, но они не могут быть устранены полностью, особенно когда частота шума возрастает. Современные коммуникационные протоколы имеют встроенные алгоритмы по обнаружению и исправлению ошибок,  требующие повторной передачи ошибочно полученных данных, что, следовательно, приводит к снижению пропускной способности сетей. В результате частым явлением в современных офисах стало замедление работы или даже «зависание»  ПК.
В подсистеме заземления  TN-C,  по  общему проводнику, совмещающего функции нулевого рабочего и нулевого защитного, активно протекает ток, создавая определенное падение напряжения.
Главная заземляющая шина  различных компьютеров на разных этажах будет уже не под одним  потенциалом. Токи будут течь, например,  по экранам кабелей передачи данных, подключенных к земле на обоих концах для обеспечения электромагнитной совместимости.

Мерцающие экраны

Гармоники тока, кратные третьей, суммируются в нейтральном проводнике. В случае конфигурации заземления TN-C  нейтральный и защитный проводник объединены и подключены во многих местах к конструкции здания. В результате токи нулевой последовательности  могут течь в любом месте металлической конструкции здания с созданием  неконтролируемые магнитных полей. В крайнем случае, эти поля могут привести к мерцанию компьютерных экранов. Поэтому нейтральный провод  должен быть выполнен в виде отдельного проводника, как  в  системе TN-S и TN- CS . Это обеспечивает необходимый уровень электробезопасности и минимальный уровень электромагнитных помех.

Мерцание света

Короткие по продолжительности изменения напряжения, из-за переключений, коротких замыканий и изменения нагрузки, могут  привести к мерцанию освещения.  Допустимая величина светового мерцания регулируется международными стандартами, на основе критериев восприятия. Чрезмерное мерцание может вызвать мигрень и в некоторых случаях является причиной   так называемого «синдрома  больного здания».

Перегрев трансформаторов при умеренной нагрузке


Гармоники вызывают дополнительные потери в трансформаторе. Когда нагрузка трансформатора  близка к максимальной,  эти потери могут привести к  преждевременному выходу  его из строя из-за перегрева обмоток. Эта проблема чаще всего возникает  при нынешней тенденции работы трансформаторов  при предельных нагрузках, при увеличении гармонических искажений в сетях низкого напряжения.  Потери в трансформаторах обусловлены паразитными магнитными потерями  в сердечнике, вихревыми токами  и резистивными потерями в обмотках. Из них потери на вихревые токи вызывают  наибольшее беспокойство,  особенно если присутствуют гармоники, поскольку они (потери) растут приблизительно пропорционально квадрату частоты. При типично смешанной (умеренной) нагрузке трансформатора (и при наличии ист. гармоник – прим. пер.) потери на вихревые токи будут примерно в 9 раз выше против удвоенных потерь при полной нагрузке.  Поэтому для определения полных потерь необходимо определить гармонический спектр текущей нагрузки.

Асинхронные двигатели

Гармоники напряжения вызывают дополнительные потери в  асинхронных двигателях . 5-я гармоника создает поля, вращающиеся в противоположных направлениях, в то время как 7-я гармоника создает вращающееся магнитное поле вне синхронной скорости двигателя. Полученный пульсирующий  момент приводит к износу муфт и подшипников. Поскольку скорость ротора постоянна, энергия гармоники рассеивается в виде дополнительного тепла, что приводит к преждевременному старению обмоток двигателя.
Токи гармоник также индуцируется в роторе, вызывая дальнейший нагрев. Дополнительное тепло уменьшает зазор ротора / статора, снижая эффективность еще больше.
Устройства регулирования скорости двигателей (в т.ч. частотный электропривод) имеют свой собственный круг проблем. Они, как правило, чувствительны к провалам напряжения, что вызывает  нарушение синхронизации работы  производственных  линий. Их установка  рядом с двигателем является причиной  появления всплесков напряжения из-за большой величины du/dt.  
Особое внимание должно быть принято при пуске электродвигателя после провала напряжения, когда двигатель работает в нормальном режиме и близко к полной нагрузке. Дополнительное тепло от пускового тока при пуске может привести к остановке двигателя.

Для оптимального  выбора типоразмера двигателя следует учитывать:

-  работа двигателя с максимальной производительностью при, приблизительно, 70%-й нагрузке.
-  время ожидания повторного пуска  двигателя и допустимая частота провалов напряжения.

Перегрев проводников из-за скин-эффекта

Все гармоники вызывают дополнительные потери в фазных проводниках. Скин-эффект, которым можно пренебречь при 50 Гц, начинает играть заметную роль от 350 Гц (7-я гармоника) и выше. Например, проводник с диаметром 20 мм имеет полное сопротивление при 350 Гц на 60% больше, чем сопротивление при постоянном токе. Повышенное сопротивление, и даже более того, увеличение реактивного сопротивления (за счет более высокой частоты), приведет к увеличению падения напряжения и его  искажению.

Правильное функционирование устройств управления

Сильное гармоническое искажение может создавать дополнительные нулевые пересечения в течение цикла синусоидальной волны, влияя на чувствительное измерительное оборудование. Синхронизация управления процессом оборудования в непрерывном производстве может быть нарушена из-за  отключения PLC (PLC – промышленные программируемые логические контроллеры – прим. пер.).

Блокировка сети передачи данных

Токи утечки на землю вызывают небольшое падение напряжения вдоль заземляющего проводника. В TN-C сети, в соединении земля - нейтральный провод, будет постоянно присутствовать значительный ток, с доминированием гармоник, кратных третьей. В связи с увеличением использования сигналов низкого напряжения в ИТ - оборудовании, увеличивается коэффициент ошибок, вплоть до того, что вся сеть блокируется . Сколько больших и малых частных сетей могут насладиться этим явлением практически на еженедельной основе ? По необъяснимой причине  блокируется сеть, электронная почта не работает, ничего невозможно напечатать ...

Проблемы с оборудованием для коррекции коэффициента мощности  

Гармонические частоты  могут совпадать с резонансной частотой контура, образованного паразитной индуктивностью линий и конденсаторами устройств  коррекции коэффициента мощности (PFC), создавая чрезмерные напряжения или токи, что приводит к преждевременному выходу из строя оборудования. Кроме того, проблемой является то, что измерительные приборы могут неправильно определять необходимый уровень PFC, так как они некорректно определяют  содержание гармоник в токе (см. Раздел 3.2.2 Power Quality and Utilisation Guide).

Проблемы с отдельными (длинными) линиями или при включении тяжелых нагрузок

Длинные линии имеют более высокий импеданс, что приводит к росту искажений  напряжения от пусковых токов, например, при тяжелых, затянутых пусках двигателей  или при включении компьютеров. Токи гармоник, генерируемые преобразователями частоты, или импульсными источниками питания, расположенными в конце длинных линий, приводят к повышению
гармонических искажений напряжения. Таким образом, приходится увеличивать сечение проводников  длинных линий распределительных сетей  для снижения падения напряжения. Как побочный эффект, реконструированные сети будут иметь более низкие потери. Экономическая окупаемость при загрузке более 3000 часов, будет очень короткой.

Перегрузка нейтрали  

В трехфазной цепи при наличии только основной частоты, результирующий ток в нейтральном проводе равен нулю при симметричной нагрузке, но этого не происходит в случае присутствия гармонических токов. Амплитуды гармоник с частотой, кратной  трем, складываются в нейтрали, что приводит к ее перегреву. Ситуация является критической для сетей, где сечение нулевого провода составляет половину фазного, даже если нагрузка потребителя значительно меньше номинальной.

Ложные  срабатывания защитных устройств.

Из-за наличия гармонических токов может происходить ошибочное, неожиданное выключение автоматических выключателей по причине того, что протекающий в их цепи ток больше, чем ожидаемый расчетный только по основной гармонике. А токи утечки через конденсаторы фильтров оборудования, включенных между фазным проводом и землей, могут достигать порога срабатывания устройств защитного отключения. Средством борьбы с ошибочным отключением устройств защиты, ставящим  под угрозу безопасность персонала на местах, является снижение пусковых токов и токов утечки на землю путем расщепления основной цепи питания на несколько цепей, с меньшим количеством оборудования и с меньшими нагрузками. Кроме того, могут быть использованы специально разработанные автоматические выключатели, работающие с учетом наличия гармоник; неправильным, ошибочным решением будет решение проблемы путем завышения в защите токов отключения.
 
Претензии энергосистемы из-за влияния гармоник на электрические сети

Энергосистемы, в общем, не предъявляют пока таких же претензий по наличию гармоник, как по компенсации реактивной мощности.  Однако рост таких претензий в будущем неизбежен, поскольку гармоники также приводят к нарушениям и неоптимальной работе  распределительных сетей.

Решения

Список возможных решений для проблем качества питания хотя и длинный, но неполный. На Рис. 2 перечислены  решения, принятые по улучшению качества электроэнергии согласно опросу 1400 потребителей в 8 странах ЕС.
 
Image
Рис.2 - Самые распространенные решения проблем PQ, с точки зрения темпов внедрения, в %, при опросе 1400 потребителей в 8 странах

 

Важно понимать, что нет единого решения проблем качества электроэнергии. Для каждой  проблемы существует целый ряд возможных подходов по смягчению последствий, из которых только некоторые можно было бы применять одинаково успешно. Вполне вероятно, что в реальном мире некоторые проблемы будут сосуществовать, и принятые решения  должны быть совместимы и друг с другом, и с существующими нагрузками  потребителей. Надо остерегаться от так называемого «черного ящика чудес» - решений, которые иногда предлагаются  в качестве «лечения» той или иной проблемы в любых обстоятельствах - в общей практике  такое невозможно! Конструкторы должны всегда искать оптимальное сочетание решений для проблем, с которыми сталкиваются, и которые, как ожидается, могут возникнуть в будущем во время эксплуатации. Эти решения должны быть, прежде всего, надежными.

Важно понимать, что электрическая нагрузка не является статичной. Различия в рабочих циклах оборудования и изменения ассортимента продукции или рабочих планов способствуют постоянно меняющейся картине нагрузки. Большое офисное здание, например, может иметь сотни изменений характера нагрузки в год, что приводит к постоянному изменению состава гармоник. Гармоники, создаваемые  ИТ - оборудованием  не усредняются, а складываются, что особенно важно для третьей и пятой гармоники.

Эксплуатация оборудования коротких рабочих циклов, например, лифтов и металлообрабатывающего оборудования (местного или на соседних присоединениях) вызывает изменения местного напряжения, которые добавляются к его изменениям  в системе распределения.
Результатом является то, что проблемы с качеством питания часто носят статистический характер и требуют в полной мере тщательного контроля при их определении. Цена проблемы качества электроэнергии, с точки зрения потерянной производительности и нарушения технологии,  колеблется в широких пределах, в зависимости от вида промышленного  производства.

Однако стоимость мер по ее решению часто находится в пределах типичных инвестиционных критериев окупаемости инвестиций для промышленности и коммерции в  2-3 года. Конечно, затраты при решении проблем на начальном этапе проектирования – это всего  10-20% от стоимости принятия мер  по смягчению последствий  от плохого PQ на действующем объекте (см. Раздел 2 Power Quality and Utilisation Guide). К сожалению, для зданий в стадии проектирования, характер и размер окончательного нагрузки, как правило, неизвестны, поэтому трудно оценить количественно потенциальные проблемы с качеством питания  и их стоимость. Следовательно,  составление экономического обоснования для инвестиций  в решение проблем PQ представляется достаточно сложной задачей. В будущем инженеры смогут с уверенностью предсказать вероятный  масштаб проблем и будут иметь практический опыт их решения. В то же время, возможно, владельцы зданий и провайдеры  поймут, что профилактика всегда дешевле, чем лечение.

Защита от перенапряжений

Есть только одно решение с точки зрения темпов внедрения. (Это подробно обсуждается в Разделе 6 Power Quality and Utilisation Guide- Заземление и ЭМС).

ИБП (источники бесперебойного питания)

Очень немногие потребители, в том числе со значительным количеством IT-оборудования или оборудования управления технологическими процессами, не имеют ИБП. Это может варьироваться от одного или нескольких простых небольших ИБП для отдельных компьютеров сервера до большого центрального терминала мощностью до 1 МВА или около того. Стратегию подключения ИБП необходимо тщательно продумать, поскольку хранение энергии в ИБП приводит к существенным дополнительным издержкам при ее производстве и накоплении. Это дорого и должно использоваться  избирательно. Наиболее скромный подход заключается в использовании бесперебойного питания  только для поддержания компьютеров сервера, контрольно-измерительного оборудования  и оборудования для обеспечения безопасности на время, достаточное, чтобы произвести упорядоченное отключение  и/или  эвакуацию персонала – при этом все клиентские компьютеры и вспомогательное оборудование остаются без питания.  С другой стороны, ИБП может быть рассчитан  для поддержки практически всех операций,  на время, необходимое для  подключения  дополнительного внешнего источника.  В большинстве случаев, оптимальное решение будет находиться  где-то между этими двумя крайностями. (в Разделе 4 Power Quality and Utilisation Guide эти вопросы рассматриваются более подробно).

Резервный генератор  

Из-за задержки пуска, генератор -  это вторая линия обороны при перерывах  в энергоснабжении.
Генератор должен  подавать питание на основную часть нагрузки в течение длительного периода времени.

Измерение истинно среднеквадратичных значений (True RMS)

Точное измерение - это знание.  Измеренные среднеквадратичные значения  могут быть значительно выше, чем некорректно измеренные усредненные значения. К счастью, у большинства из опрошенных потребителей  измеряются истинно квадратичные значения параметров сети.
Однако, для полной уверенности, все измерительные приборы потребителей должны быть с истинными среднеквадратическими показаниями.

Ограничение допустимых условий эксплуатации трансформатора (разгрузка трансформатора)

Практика ограничения допустимых условий эксплуатации трансформатора при гармонических нагрузках хорошо документирована в стандарте МЭК 61378-1 «Трансформаторы для промышленного применения», хотя еще и не получила широкого распространения. Следует отметить, что дополнительное тепло, генерируемое  гармоническими искажениями,  может привести к впечатляющему уменьшению сроков его эксплуатации. Поэтому более предпочтительно использование  трансформаторов типа «К» (трансформатор с повышенной стойкостью к протеканию токов высших гармоник, обусловленных нелинейностью нагрузки;  в таких трансформаторах для снижения потерь от высших гармоник используются витые обмоточные провода, электротехнические стали с пониженными потерями на вихревые токи и т.п. – прим. пер.). На практике, трудно поддерживать работу трансформатора  с нагрузкой ниже номинальной при наличии и росте гармоник  - рост нагрузки часто не замечают, и трансформатор будет серьезно перегружен.

Ограничение  номинальных условий эксплуатации двигателей

Дисбаланс  напряжений и гармонические напряжения приводят  к дополнительным потерям в электродвигателях, поэтому он не может быть полностью нагружен до его номинальной мощности . NEMA (NEMA - (National Electrical Manufacturers Association, Национальная ассоциация производителей электрооборудования, США – прим. пер.) дает некоторые рекомендации о том, как снижать нагрузку  двигателя при наличии гармоник  напряжения.
Двигатели высокой эффективности (класса  Eff1) не только экономят энергию и, следовательно, деньги, но они также являются более надежными
при наличии некоторых из проблем, упомянутых ранее. Использование в этих двигателях современных,  качественных материалов  и, как следствие, уменьшение тепловых потерь в обмотках при эффективном охлаждении,  способствует их широкому применению в условиях наличия гармоник и провалов напряжения (для электродвигателей класса Eff1 КПД указывается при 100%-ной и 75%-ной нагрузке; как правило, у электродвигателей этого класса оба значения почти совпадают – прим. пер.).

Выделенные линии

Нагрузки, которые чувствительны к гармоническим искажениям, должны соединяться с источником отдельными, выделенными  линиями. Тяжелые нагрузки должны также иметь свои собственные схемы (в т.ч. управления и защиты – прим. пер.), чтобы не влиять на другие нагрузки во время пуска. По данным опроса , 25% потребителей проводят политику использования выделенных линий.

Применение вместо одного нескольких кабелей, включенных параллельно.
 
Помимо дополнительного тепла, генерируемого токами в нейтрали , эффективное сечение кабеля с уменьшается из-за скин-эффекта, при присутствии гармоник, начиная с 7-й.  Использование кабелей большего диаметра не решает проблему, так как ток  будет по прежнему смещаться по направлению к периферии проводника. Таким образом, следует использовать несколько параллельно включенных кабелей, соответственно  расположенных.

Полная реконструкция распределительной сети потребителя

Довольно радикальная мера (кроме капитального ремонта), но, тем не менее, часто используемая, так как старые сети не были изначально предназначены  для работы с современными нагрузками. По данным опроса 1400 потребителей, это решение было принято в 24% случаев.

Зонирование электрических нагрузок

Различные типы нагрузки имеют разные требования в плане EMC, непрерывности энергоснабжения и безопасности.
Поэтому классификация нагрузок в различных категориях, каждой со своим собственным подходом к проводке, заземлению или резервному питанию, не требуется (см. Разделы 4 и 6 Power Quality and Utilisation Guide).

Сетчатая система заземления

Основная система заземления должна быть выполнена в виде сетки, обеспечивающей низкое сопротивление соединения между потребителями и землей в широком диапазоне частот (см. Раздел 6 Power Quality and Utilisation Guide); в здании сетка заземления должна быть устроена на каждом этаже, с несколькими вертикальными связями.

Пассивные фильтры

Это популярное  решение, которое может применяться к отдельным нагрузкам или централизованно. При использовании фильтров  как можно ближе к точке генерации гармоник, можно быть уверенным, что длительный эффект будет достигнут при многих изменениях в структуре электроснабжения потребителей, которые обычно происходят, например, в офисных зданиях. Недостатком является то, что отдельные фильтры не  предусматривают разнообразия нагрузок, к тому же  отдельные небольшие фильтры стоят дороже. В тоже время, одним из преимуществ такой установки является то, что гармонические токи ограничены местом присоединения фильтра.
С другой стороны, централизованный подход позволяет совмещать пассивную фильтрацию  с коррекцией коэффициента мощности оборудования. При этом необходимо принять дополнительные меры, чтобы избежать резонанса на частотах гармоник.  Как правило, фильтр-компенсирующие устройства применяются централизовано, позволяя экономить из-за уменьшения количества установок,  необходимого контроля и способности коррекции в широком диапазоне  без риска самовозбуждения  двигателей. Соответственно, должны быть приняты меры для сохранения функциональности фильтра при изменении спектра гармоник (см. Разделе 3.3.1 Power Quality and Utilisation Guide).

Активные фильтры гармоник (АФГ)

Практически лучшее решение, но имеет свою немалую цену. Тем не менее, АФГ легко адаптируются в любой системе и особенно  полезны при наличии широкого спектрального состава гармоник. Используются, как правило, только выборочно.

Применение системы TN-S

TN-C системы, с совмещенным нулевым и защитным проводником  (PEN-проводником) стали исключением,  кроме  некоторых стран, где они имеют обыкновение быть правилом. В комитетах по стандартизации, система с PEN-проводником в настоящее время считается как частный случай и не разрешается к применению для объектов с IT – оборудованием.  С точки зрения электромагнитной совместимости и электробезопасности, предпочтительны системы TN-S.

Увеличение сечения нейтрали

Сечение нейтрали необходимо делать большим или в крайнем случае равным сечению фазных проводников, за исключением доказанных случаев, когда возможно применение половинного размера от их сечения. При наличии гармоник в сети необходимое сечение нейтрали должно быть только расчетным, с учетом прохождения фактического тока, а в некоторых случаях - с защитой от сверхтоков (см. раздел 3.5.1 Power Quality and Utilisation Guide).

Выводы

Качество электроэнергии представляет собой сложную  проблему, охватывающую более десятка смежных областей, для которых существует множество решений.  В настоящее время большинство энергоемких потребителей  страдают в определенной степени от плохого качества электроснабжения; в то же время некоторыми из них  уже принимаются некоторые решения. Как правило, покупка ИБП, резервных генераторов  и т.д. дополняется с некоторыми из других решений, таких как реконструкция систем заземления до системы TN-S, установка активных фильтров гармоник  и т.д.
Маловероятно, что какое-то одно решение будет эффективным. Необходим тщательный, комплексный подход в выработке решений, адаптированных в соответствии с требованиями к качеству электроэнергии. Последующие разделы Руководства стремятся предоставить такие знания  инвесторам, инженерам-конструкторам и менеджерам по обслуживанию электрических сетей.

Перевод статьи - Николаев В.Ф.

Публикация статьи сделана только в общеобразовательных целях.

Разрешается использовать опубликованный материал только в личных и некоммерческих целях.

При перепечатке и цитировании ссылка на  авторов статьи, автора перевода и сайт http://www.ukrm.ru   обязательны.


 









 




 
< Пред.   След. >
 
ukrm.ru © 2017
Ссылки /// Новости /// Главная