Качество электрической энергии

а) б)

Рис. 6. Токи самозапуска (а) и напряжения (б) на шинах трансформатора при исчезновении напряжения на йТ = 0,2 сек

Здесь также видно, что ток синхронного двигателя СТД-3150 вносит самую большую долю в суммарный пусковой ток всех потребителей. И такое положение наблюдается почти для всех бестоковых пауз. В среднем можно считать, что эта доля составляет 40-50% от суммарного пускового тока. Для сравнения можно взять асинхронный двигатель 4А3М3150 аналогичной мощности - привод компрессора В 1/1. Его средний ток составляет в суммарном токе только около 12%, или в четыре раза меньше, чем у СД.

Необходимо подчеркнуть, что при неблагоприятном фазовом сдвиге появления восстановленного напряжения помимо увеличения тока самого СД, увеличивается ток остальных электродвигателей, для которых СД выступает в качестве последовательного соединенного с сетью генератора, правда на весьма короткое время - (0,5-1) период питающего напряжения.

Как и для случая кратковременных снижений напряжения, помимо напряжений, токов и скорости вращения, здесь также рассчитывалось поведение во времени технологических переменных - производительности турбомеханизмов и их напора.

Отличие поведения этих переменных от рассмотренных ранее определяется более интенсивным торможением приводов, и как следствие - более резкое снижение производительности и напора.

При длительных бестоковых паузах, например, для привода СТД-3150 компрессора особенность процесса торможения состоит в том, что, когда напор компрессора становится равным статическому, производительность падает до нуля, момент резко уменьшается и интенсивность торможения падает. С этих позиций можно объяснить и поведение напора - при закрытом обратном клапане и слабом торможении он на небольшом отрезке времени изменяется очень мало.

Результаты вычислительных экспериментов на математических моделях технологического комплекса используются для создания реальных схем самозапуска высоковольтных электроприводов. В частности, они предусматривают такой режим самозапуска, при котором ток трансформатора в процессе пуска не превышает заданной величины.

Статья поступила 2.02.2015 г.

Библиографический список

1. Гоппе Г.Г., Павлов В.Е. Исследование условий самоза- мущениях в электрических сетях // Вестник ИрГТУ. 2013. пуска электроприводов технологических установок при воз- № 12 (83). С. 252-257.

УДК 621.311.16

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ © М.А. Дубицкий1, Е.А. Сухарева2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен анализ категории качества. Показано несовершенство определений для термина «качество электрической энергии» в существующих стандартах. Необходимо заменить в существующих стандартах определение для термина «качество электрической энергии». Качество электрической энергии - комплексное свойство. Ос-

1Дубицкий Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru

Dubitsky Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Stations, Networks and Systems, tel.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru

2Сухарева Елизавета Андреевна, студентка, тел.: 89500835335, e-mail: sukharevaean@gmail.com Sukhareva Elizabetha, Student, tel.: 89500835335, e-mail: sukharevaean@gmail.com

новными его единичными свойствами являются: напряжение, синусоидальность напряжения, симметрия трехфазной системы напряжений, частота (в зависимости от того, какой вид электрической энергии рассматривается). Каждое единичное свойство характеризуется соответствующими показателями качества электрической энергии. Требуемое качество регламентируется нормативными значениями показателей качества электрической энергии.

Ключевые слова: качество; свойство; электрическая энергия; режимная управляемость; показатели качества; электроэнергетическая система.

QUALITY OF ELECTRICAL ENERGY M.A. Dubitsky, E.A. Sukhareva

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The category of quality is analyzed. The paper demonstrates the imperfection of the definitions for the term of quality of electrical energy used in existing standards and indicates the necessity to replace this definition. Quality of electrical energy is a complex property. Its main characteristics are: voltage, voltage sinusoidality, symmetry of a three-phase system of voltage, frequency (depending on the type of electrical energy being considered). Each single property is characterized by corresponding quality indicators of electrical energy. The demanded quality is regulated by the standard values of electrical energy quality indicators.

Keywords: quality; quality of electrical energy; property; electrical energy; mode controllability; quality indicators; electric power system.

Анализ проблемы

В существующих государственных стандартах «Качество электрической энергии - степень», например:

- ГОСТ 23875-88 «Качество электрической энергии. Термины и определения»: «Качество электрической энергии - степень соответствия параметров электрической энергии их установленным значениям» [1].

- ГОСТ Р 54130-2010. «Качество электрической энергии. Термины и определения»: «Качество электрической энергии - степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных значений показателей качества электрической энергии» [2].

- ГОСТ 32144-2013. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.»: «Качество электрической энергии - степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества электрической энергии» [3].

- ГОСТ Р ISO 9000-2005 «Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь» предлагает следующую трактовку: «Качество - степень соответствия совокупности присущих характеристик требованиям» [4].

Степень (по Толковому словарю русского языка, словарям Ефремовой, Кузнецова, Ожегова, Ушакова, Дмитриева, Большой Советской энциклопедии) - это величина, мера или число, которые не могут быть качеством. Иногда авторы монографий и пособий, рассматривая проблему обеспечения качества электрической энергии, не дают определения для этого термина [5-9 и др.]. Поэтому существует объективная необходимость определения понятия «качество электрической энергии».

Философская категория качества (а категории, как известно, это наиболее общие и фундаментальные понятия, отражающие существенные, всеобщие свой-

ства и отношения явлений действительности и познания [10]) впервые была проанализирована греческим философом Аристотелем в III в. до н. э. Аристотель утверждал, что качеством именуется, прежде всего, то, «благодаря чему предметы называются такими-то»

[11]. Благодаря качеству возможно различие между предметами.

В XIX веке исследованием категории качества занимался немецкий философ Георг Вильгельм Фридрих Гегель. Им было дано фундаментальное определение качества как философской категории: «Качество есть вообще тождественная с бытием непосредственная определенность...». «Нечто есть благодаря своему качеству то, что оно есть, и, теряя свое качество, оно перестает быть тем, что оно есть.». По Гегелю, качество - это признак или характеристика отличия предмета (или продукта деятельности человека) от всех остальных. Гегель отмечал неразрывное единство качества и количества: «Те или иные количественные изменения имеют свой предел, свою качественную границу, выход за которую ведет к установлению нового соотношения количества и качества»

[12]. Известный пример: вода при нагревании перестает быть водой, превращаясь в пар, который имеет уже другие, свои собственные свойства и характеристики (т.е. иное качество).

Фридрих Энгельс, рассматривая качество, выделял два аспекта: «Во-первых, всякое качество имеет бесконечно много количественных градаций, доступных измерению и наблюдению; во-вторых, существуют не качества, а только вещи, обладающие качеством, и притом бесконечно многими качествами» [13].

В толковом словаре Ожегова: «Качество - совокупность существенных признаков, свойств, особенностей, отличающих предмет или явление от других и придающих ему определенность» [14].

Международной организацией по стандартизации (ISO) предложено определение для понятия «качество»: это «совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять обуслов-

ленные или предполагаемые потребности». В соответствии со стандартом ИСО 8402-86: «Качество -совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности» [15].

Понятие качества продукции регламентировано в Российской Федерации государственным стандартом ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения»: «Качество - это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением» [16].

Электрическая энергия является целевым продуктом электроэнергетической системы (ЭЭС), товаром, который продается и покупается (качество товаров это свойство или совокупность свойств).

Качество электрической энергии - комплексное свойство

Качество электрической энергии характеризует совершенство технологического процесса производства, передачи, распределения и использования потребителями электрической энергии. Основными его характеристиками (далее будем называть - единичными свойствами) являются: напряжение (соответствующее стандартному); синусоидальность напряжения; симметрия трехфазной системы напряжений; частота (в зависимости от того, какой вид электрической энергии рассматривается, рис. 1).

Предлагается следующее определение для термина «качество электрической энергии». Качество электрической энергии - это комплексное свойство, представляющее собой совокупность свойств электрической энергии, определяющих ее пригодность для нормальной работы электроэнергетической системы (включая потребителей электрической энергии).

свойства «качество электрической энергии».

Напряжение (соответствующее стандартному). В России приняты стандартные напряжения в соответствии с ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) «Межгосударственный стандарт. Стандартные напряжения» [17]. Введение стандартных напряжений предполагает соответствующее изменение (отметим, не снижение и не повышение, а изменение при переходе на другое стандартное напряжение) качества электрической энергии. Переход от одного стандартного напряжения к другому ведет к установлению нового соотношения количества (имеется в виду уровень - «величина» напряжения) и качества электрической энергии. Так, например, переход на высокое напряжение необходим для передачи электрической энергии на дальние расстояния, так как это, как известно, позволяет уменьшить ее потери.

Синусоидальность напряжения. Синусоидальное напряжение - это переменное напряжение, которое изменяется по синусоидальному закону. Синусоидальность напряжения в ЭЭС обеспечивается соответствующей конструкцией генераторов [18], путем:

- улучшения формы кривой распределения магнитного поля в воздушном зазоре синхронной машины и ее приближения к синусоидальной;

- подавления высших гармоник ЭДС с помощью соответствующей конструкции обмоток (укорочение шага обмотки; распределение обмотки по пазам таким образом, чтобы число в катушечной группе было больше 1; скос пазов обмотки).

Синусоидальность напряжения позволяет наиболее экономично осуществлять производство, передачу, распределение и использование электрической энергии.

Симметрия трехфазной системы напряжений. Трехфазная система считается симметричной, когда напряжения и токи каждой из фаз имеют одинаковую амплитуду, а сдвиг амплитуды по фазе равен 120 градусов. Система, не соответствующая этим

Рассмотрим единичные свойства комплексного Переменный электрический ток

Напряжение

Частота

Симметрия трехфазной системы напряжений

Синусоидальность напряжения

условиям, называется несимметричной.

Постоянный электрический ток

Напряжение

Рис. 1. Единичные свойства комплексного свойства «качество электрической энергии»

электрической энергии

Частота. Частота ЭДС генератора пропорциональна скорости вращения ротора и числу пар полюсов его ротора

г п

I = р —, 60

где р - число пар полюсов; п - скорость вращения ротора (об/мин).

В условиях дефицита мощности снижается частота в ЭЭС. Заводы-изготовители паровых турбин для предотвращения их разрушения указывают допустимый диапазон изменения частоты в ЭЭС. Указывается и частота, при которой турбина должна быть остановлена (45 Гц). Лавинообразное снижение частоты («лавина частоты») может привести к полному погашению ЭЭС. При лавинообразном снижении частоты лавинообразно снижается и напряжение («лавина напряжения») в сети.

Частота переменного тока не во всех странах одинаковая. В России и ряде других стран она составляет 50 Гц, а, например, в США и Канаде - 60 Гц.

Показатели качества электрической энергии

Для оценки и управления качеством электрической энергии используются количественные характеристики единичных свойств качества электрической энергии - показатели качества электрической энергии. Каждое из свойств может характеризоваться несколькими показателями качества электрической энергии.

Требуемое качество регламентируется нормативными значениями показателей с учетом требований, определяющих пригодность электрической энергии для нормальной работы ЭЭС (включая потребителей электрической энергии). При этом учитываются возможности режимной управляемости ЭЭС [19, 20]. Показатели качества электрической энергии могут выражаться в физических единицах измерения (например, вольт, герц) или условных единицах измерения (процент отклонения от регламентируемого стандарта), а также быть безразмерными (вероятность наступления ожидаемого события). Показатели качества электрической энергии обычно задаются в виде интервала (допустимого диапазона изменения значений контролируемой величины), в котором контролируемая величина должна находиться с вероятностью не менее заданной. Допустимые интервалы (нормально допустимые и предельно допустимые), а также вероятности, с которыми в этих интервалах будут находиться контролируемые величины, зависят от нагрузки в ЭЭС (минимальная она или максимальная).

Так, например, в соответствии с ГОСТ 13109-97 [21] предлагается 11 основных показателей. По единичным свойствам качества электрической энергии они распределяются следующим образом.

Единичное свойство напряжение - показатели:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения;

- доза фликера;

- длительность провала напряжения;

- импульсное напряжение;

- коэффициент временного перенапряжения.

Единичное свойство синусоидальность напряжения - показатели:

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения.

Единичное свойство симметрия трехфазной системы напряжений - показатели:

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Единичное свойство частота - показатели - отклонение частоты.

На рис. 2 (в соответствии с ГОСТ 13109-97) показано соотношение комплексного свойства «качество электрической энергии» с его единичными свойствами и показателями качества электрической энергии, характеризующими каждое из единичных свойств.

С 1 июля 2014 года был введен в действие ГОСТ 32144-2013 (Электрическая энергия. Совместимость средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) в качестве национального стандарта Российской Федерации. Часть показателей качества электрической энергии в этом стандарте остались такими же, как и в ГОСТ 13109-97 (например, отклонение частоты); некоторые показатели изменили свое название (например, коэффициент л-ой гармонической составляющей напряжения изменил название на значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения); не были включены (например, импульсное напряжение); были введены и новые (например, длительность прерывания напряжения); есть также и показатели, которые находятся в стадии доработки (например, допустимые уровни напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям).

Без какого-либо обоснования изменился допустимый диапазон изменения значений для отдельных показателей качества электрической энергии. Например, для показателей, относящихся к медленным изменениям напряжения, положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 не должны превышать 10% номинального или согласованного напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю [3]. Вместе с тем, в ГОСТ 13109-97 даны нормально допустимые от (-5% до +5%) и предельно допустимые (от -10% до +10%) значения отклонений от установившегося напряжения соответственно для часов минимума и максимума нагрузок в ЭЭС [21]. Расширение диапазона допустимых отклонений напряжения в соответствии с ГОСТ32144-2013 снижает требования к качеству поставляемой электрической энергии. Кроме того, этим стандартом снимается ответственность за качество электрической энергии у (на зажимах) конечных электроприемников.

а> 0 ГС

s ;

Рис. 2. Показатели качества электрической энергии

Выводы

1. Выполнен анализ категории «качество». Показано несовершенство определений для термина «качество электрической энергии» в существующих стандартах, где «качество - степень (и далее по тексту)». Степень - это величина, мера или число, которые не могут быть качеством.

2. Необходимо заменить в существующих стандартах определение для термина «качество электрической энергии». Оно должно быть следующим: «Качество электрической энергии - это комплексное свойство, представляющее собой совокупность свойств электрической энергии, определяющих ее пригодность для нормальной работы электроэнер-

гетической системы (включая потребителей электрической энергии)».

3. Качество электрической энергии - комплексное свойство. Основными его единичными свойствами являются: напряжение, синусоидальность напряжения, симметрия трехфазной системы напряжений, частота (в зависимости от того, какой вид электрической энергии рассматривается).

4. Каждое единичное свойство характеризуется соответствующими показателями качества электрической энергии. Требуемое качество регламентируется нормативными значениями показателей качества электрической энергии.

Статья поступила 6.02.2015 г.

1. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1988. 62 с.

2. ГОСТ Р 54130-2010. Качество электрической энергии. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 2010. 32 с.

3. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назна-

ский список

чения. М.: Изд-во стандартов, 2013. 16 с.

4. Международный стандарт ИСО 9000:2005 (ГОСТ Р ИСО 9000:2005). Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь. М.: Изд-во стандартов, 2005. 36 с.

5. Баркан Я.Д. Эксплуатация электрических систем: уч. пособие для электроэнергет. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1990. 304 с.

6. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М: Энергоатомиздат, 2000. 252 с.

7. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 2-е изд., пере-раб. и доп. М: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

8. Висящев А.Н. Качество электрической энергии и электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. Ч. 1. 187 с.

9. Висящев А.Н. Качество электрической энергии и электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах: учеб.. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. Ч. 2. 92 с.

10. Советский энциклопедический словарь / Научно-редакционный совет: А.М. Прохоров (предс.). М.: Советская энциклопедия, 1981. 1600 с.

11. Шибкова О.С. Категория «качество» в учении Аристотеля и его последователей: III Международные Бодуэновские чтения «И.А. Бодуэн де Куртенэ и современные проблемы теоретического и прикладного языкознания». Казань, 23-25 мая 2006 г. Труды и материалы в 2 т. Казань: Изд-во КГУ, 2006. Т. 2. С. 189-191.

12. Гегель. Энциклопедия философских наук. Т. 1. Наука логики. М: Наука, 1974.

13. Прохоров Ю.К. Управление качеством: учеб. пособие. СПб.: ГУИТМО, 2007. 144 с.

14. Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского

языка. 4-е изд. М.: Энциклопедия, 1997.

15. Международные стандарты. Управление качеством продукции. ИСО 9000-9004, ИСО 8402. М.: Изд-во стандартов, 1988.

16. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1979.

17. ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Межгосударственный стандарт. Стандартные напряжения. М.: Изд-во стандартов, 1992.

18. Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, 1974. 840 с.

19. Dubitsky M.A. RELIABILITY OF ENERGY SYSTEMS. Reliability: Theory & Applications. Elektronic journal of international group on reliability. ISSN 1932-2321. Vol. 8. № 3, issue of September' 2013.

20. Дубицкий М.А. Надежность энергоснабжения и безопасность систем энергетики // Вестник ИрГТУ. 2013. № 9 (80). С. 211-216.

21. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.

УДК 621.311

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ УЗЛОВ АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКИ С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

© В.П. Закарюкин1, А.В. Крюков2, Ле Конг Зань3

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Корректное моделирование несимметричных режимов систем электроснабжения невозможно без корректного учета асинхронной нагрузки, создающей эффект снижения несимметрии в точках ее подключения. Эффективное использование таких моделей возможно только при наличии точных данных о параметрах схем замещения двигателя для прямой и обратной последовательностей. Методики определения указанных параметров на основе справочных данных дают заметно различающиеся результаты. Преодоление указанной трудности возможно на основе применения методов параметрической идентификации узлов асинхронной нагрузки в фазных координатах. На современных производствах широко применяются регулируемые асинхронные электроприводы, оснащенные статическими преобразователями частоты. Поэтому становится актуальной задача идентификации узлов нагрузки, содержащих наряду с обычными двигателями частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. В статье предложена методика параметрической идентификации узлов асинхронной нагрузки, содержащих нерегулируемые асинхронные электродвигатели, а также приводы, оснащенные статическими преобразователями частоты. Результаты компьютерного моделирования показали применимость предложенной методики для определения несимметричных режимов систем электроснабжения. В рассмотренном примере погрешность определения коэффициента несимметрии по обратной последовательности при использовании модели, полученной в результате идентификации, не превышала 1,6%.

1Закарюкин Василий Пантелеймонович, доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики транспорта, тел.: (3952) 638345, e-mail: zakar49@mail.ru

Zakaryukin Vasily, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Transport Electric Engineering, tel.: (3952) 638345, e-mail: zakar49@mail.ru

2Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики транспорта, профессор кафедры электроснабжения и электротехники ИРНИТУ, тел.: (3952) 628723, e-mail: and_kryukov@mail.ru Kryukov Andrei, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Transport Electric Engineering, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering of the Irkutsk National Research Technical University, tel.: (3952) 628723, e-mail: and_kryukov@mail.ru

3Ле Конг Зань, аспирант, тел.: 89501322506, e-mail: danh_lecong150287@mail.ru Le Cong Danh, Post graduate, tel.: 89501322506, e-mail: danh_lecong150287@mail.ru