Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций

УДК 621.311

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-60-64

А. В. ДЕД

с. п. сикорский п. с. смирнов

Омский государственный технический университет, г. Омск

результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций

В статье представлены результаты измерений показателей качества электрической энергии и проведенного их анализа. Измерения проводились в характерных точках контроля распределительной сети 0,4 кВ предприятий и организаций различных отраслевых секторов экономики. Установлено, что параметры напряжения питания по ряду параметров более чем в 30 % имеют отклонения от допустимых норм, установленных в нормативных документах. Подтверждены данные, что основным показателем, имеющим наибольший процент отклонения от граничных значений, является установившееся отклонение напряжения.

Ключевые слова: качество электрической энергии, отклонение напряжения, несинусоидальность, несимметрия, показатели качества, контроль качества электрической энергии.

В Омском государственном техническом университете (ОмГТУ), на базе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», с 2004 года создана и функционирует испытательная лаборатория по качеству электрической энергии. Вопросы и задачи обеспечения качества электрической энергии поднимаются и успешно решаются в ОмГТУ достаточно длительное время [1—6]. Для решения этих задач начиная с 2006 года, пройдя первичную процедуру аккредитации на техническую компетентность и независимость в рамках выполнения энергетических обследований, научно-исследовательских работ, а также периодических испытаний качества электрической энергии, сотрудники кафедры и лаборатории провели значительное число измерений показателей качества электрической энергии. Данные измерения, помимо периодических испытаний у территориальных сетевых организаций, осуществлялись как в энергоснабжающих системах разноотраслевых промышленных предприятий, так и в организациях бюджетной сферы, на объектах жилого фонда и коммунального хозяйства.

Измерения параметров качества электрической энергии в большинстве случаев (более 80 % от общего числа) проводились на стороне низкого напряжения 0,4 кВ.

В качестве мест подключения анализаторов качества электрической энергии выбирались либо распределительные устройства (шины 0,4 кВ) понижающих трансформаторных подстанции 6(10)/0,4 кВ, либо непосредственно вводно-распределитель-ные устройства, расположенные у потребителей. При проведении замеров, контролировалось соот-

ветствие параметров напряжения передаваемого потребителям параметрам, определенным соответственно до 01.06.2014 года — ГОСТ 13190-97, а далее — ГОСТ 32144-2013 [7-9].

Измерения для определения параметров электрической сети реализовывались при помощи многоканальных измерительно-вычислительных комплексов «Омск-М» (на соответствие ГОСТ 13109-97) и отвечающих требованиям класса «А» (ГОСТ 32144-2013) анализаторами качества Metrel 2792A, Metrel 2892, Fluke 435 II [10-12]. Все приборы на момент проведения работ, помимо свидетельств о поверке, имели соответствующие свидетельства об утверждении типа средства измерения и были внесены в государственный реестр.

По отношению к следующим параметрам, контролирующим показатели качества электрической энергии, определены основные нормативные требования:

— отклонение напряжения Ди (ГОСТ 13109-97);

— положительное отклонение напряжения AU( + (ГОСТ 32144-2013);

— отрицательное отклонение напряжения Ди ) (ГОСТ 32144-2013);

— отклонение частоты Д/;

— коэффициент искажения синусоидальности напряжения Kn;

— коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения K ;

— коэффициент несимметрии по обратной последовательности K2U;

— коэффициент несимметрии по нулевой последовательности K0U.

Главной задачей проводимых исследований ставилось определение в сетях 0,4 кВ реальных уровней напряжений и нагрузок (токи, мощности, коэффициенты мощности), несинусоидальности, несимметрии по обратной и нулевой последовательностям. В последующем все сведения обрабатывались и анализировались на соответствие требований действующих нормативов.

Итоги изучения данных, полученных в ходе обработки более 170 измерений, показали, что в 32 % случаев значения показателей качества электрической энергии не соответствовали требуемым нормам и определили, что показателями качества электроэнергии, наиболее часто выходящими своими значения за пределы, установленные ГОСТ [7, 9], являются (рис. 1):

— отклонение напряжения ДУ (68 %);

— коэффициент л-ой гармонической составляющей Кт (40 %);

— коэффициент несимметрии по нулевой последовательности К0и (38 %).

Сводные результаты измерений показателей качества электрической энергии представлены в табл. 1 и 2.

Результаты измерений в точках контроля на промышленных предприятиях подтвердили тот факт, что загрузка большинства трансформаторов лежит в интервале от 30 до 70 % от номинальной мощности. Выход такого показателя, как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ку и коэффициент несимметрии по обратной последовательности К2и за предельные нормативные значение не превышают 1 % от общего числа измерений (рис. 2).

В целом же анализ измерений показал, что в среднем в 23 % случаев значения показателей качества электрической энергии в сетях промышленных предприятий не соответствовали установленным нормативам (табл. 1). В основном это относится к уровню нормального допустимого отклонения напряжения при сопоставлении его значений с требованиями ГОСТ 13109-97 [7].

Стоит отметить, что со второй половины 2014 года соответствие качеству электрической энергии стали проверять по ГОСТ 32144-2013 [8]. В данном нормативном акте был исключен такой термин, как нормально допустимое отклонение напряжения, определяемое в границах ±5 % от иНОМ.

Таким образом, сети многих предприятий без внедрения каких-либо технических мероприятий и проведения регулировочных работ смогли уложиться в новые нормативные требования по отклонению напряжения, установленные ГОСТ 32144-2013 только в качестве предельного уровня отклонения напряжения на границе ±10 % от ином.

Основной причиной выхода за нормы значений коэффициентов несимметрии напряжений по нулевой последовательности в сетях промышленных предприятий является наличие несимметрии токов в сети из-за неравенства фазовых нагрузок.

Повышенные уровни значений коэффициентов л-ых гармонических составляющих напряжения зачастую обусловлены наличием высших гармонических составляющих в спектре питающего напряжения. Применение на предприятиях оборудования с нелинейной вольт-амперной характеристикой, потребляющего ток с формой, отличной от синусоиды, приводит к искажению синусоиды питающего напряжения и наличию высших гармоник тока [2].

В электрических сетях электроснабжения жилого фонда основного внимания, безусловно, требует поддержание в пределах допустимых норм уровней питающего напряжения (рис. 3). Уровень отклонения напряжения от номинального значения, в связи с характерными суточными изменениями нагрузки, может иметь как отрицательное, так и положительное направления. Другими словами, величина напряжения, подведенного к зажиму электроприемника, может быть как меньше, так и больше номинального уровня. Временные диаграммы фазных напряжений, полученные в ходе испытаний, показывают, что в часы максимума нагрузки (вечернее время) можно часто наблюдать наибольшее отрицательное отклонение напряжения от номинального. С обратной стороны, во время ночных часов, при снижении нагрузки жилого дома до минимального уровня, отклонение напряжения принимает наибольшее положительное значение.

Присутствие в электрических сетях жилого фонда высших гармонических составляющих можно объяснить наличием современных электробытовых приборов и оборудования, которое инжектирует искажения в кривые тока и напряжения. К такому оборудованию можно отнести блоки питания телевизоров, компьютеров, микроволновых печей, компактные энергосберегающие и светодиодные

Таблица1

Рис. 1. Общее распределение показателей качества электрической энергии

Общие результаты измерений показателей качества электрической энергии

Наименование ПКЭ ди Д1 Ки КиМ К2и Кси

Соответствует требованиям 55 172 160 104 158 106

32 % 100 % 93 % 60 % 92 % 62 %

Не соответствует требованиям 117 0 12 68 14 66

68 % 0 % 7 % 40 % 8 % 38 %

Таблица 2

Результаты измерений показателей качества электрической энергии с учетом отраслевой принадлежности

Наименование ПКЭ / Отраслевая принадлежность/ Соответствие требованиям ГОСТ Установившееся отклонение напряжения, ди Коэффициент искажения синусоидальности напряжения, КИ Коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения, КИ(Щ Коэффициент несимметрии по обратной последовательности, К2И Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности, К0И ИТОГО

Промышленность ЖКХ Бюджетная сфера Промышленность ЖКХ Бюджетная сфера Промышленность ЖКХ Бюджетная сфера Промышленность ЖКХ Бюджетная сфера Промышленность ЖКХ Бюджетная сфера

Число измерений 73 45 54 73 45 54 73 45 54 73 45 54 73 45 54 860

ПКЭ соответствуют требованиям ГОСТ 28 11 16 72 45 43 55 25 24 72 43 43 53 18 35 583

38 % 24 % 30 % 99 % 100 % 80 % 75 % 56 % 44 % 99 % 96 % 80 % 73 % 40 % 65 % 68 %

32 % 93 % 60 % 92 % 62 %

ПКЭ не соответствуют требованиям ГОСТ 45 34 38 1 0 11 18 20 30 1 2 11 20 27 19 277

62 % 76 % 70 % 1 % 0 % 20 % 25 % 44 % 56 % 1 % 4 % 20 % 27 % 60 % 35 % 32 %

68 % 7 % 40 % 8 % 38 %

Рис. 2. Гистограмма распределения показателей качества электрической энергии центров питания промышленных предприятий

Рис. 3. Гистограмма распределения показателей качества электрической энергии объектов жилищно-коммунального хозяйства

лампы и т.п. Необходимо отметить, что в большинстве случаев большие искажения гармонического состава возникают в таких распределительных сетях в вечернее время из-за увеличения общего количества энергопотребляющего оборудования.

В целом распределение показателей, выходящих за границы установленных норм в электрических

сетях объектов жилищно-коммунальной сферы (табл. 2), выглядит следующим образом:

— отклонение напряжения Ди (76 %);

— коэффициент л-ой гармонической составляющей Кт (44 %);

— коэффициент несимметрии по обратной последовательности К (4 %);

Рис. 4. Гистограмма распределения показателей качества электрической энергии объектов бюджетной сферы

— коэффициент несимметрии по нулевой последовательности К0и (60 %).

Похожие проблемы присутствуют и в сетях организаций бюджетной сферы.

Выход уровней напряжения за допустимый диапазон (как в положительную, так и в отрицательную сторону) связан в подавляющем большинстве случаев с совпадением двух факторов: изначального несимметричного уровня напряжения в точке передачи электрической энергии и неравномерного подключения электроприемников однофазного исполнения и осветительного оборудования. Число подобных потребителей в таких учреждениях значительно, однако пофазное перераспределение этих нагрузок для снижения уровня несимметрии либо вообще не проводится, либо проводится редко.

Тот факт, что сети организации бюджетной сферы имеют в качестве подключенной нагрузки значительное количество оборудования с нелинейной вольт-амперной кривой приводит к появлению высших гармонических составляющих. В процессе своей работы компьютерная и офисная техника, современные энергосберегающие источники света генерируют гармонические искажения, значения которых на выходе каждого приемника могут быть незначительными, но за счет общего большого количества таких источников взаимное искажение приводит к отклонению уровня коэффициента, отражающего наличие искажающей гармонической составляющей за пределы нормативных значений [13, 14].

Основными показателями, выходящими за пределы установленных норм в электрических сетях организаций бюджетной сферы, являются (рис. 4):

— отклонение напряжения Ди (70 %);

— коэффициент л-ой гармонической составляющей Ки(л) (56 %);

— коэффициент несимметрии по нулевой последовательности К0и (35 %).

Как указывалось выше, с вступлением в силу ГОСТ 32144-2013 и отменой величины нормально допустимого отклонения напряжения в большинстве случаев уровни данного показателя будут находиться в границах ±10 % от ином даже без реализации каких-либо мероприятий и внедрения технических средств регулирования.

В то же время для обеспечения потребителей вне зависимости от типа и рода деятельности электрической энергией требуемого качества необхо-

димо осуществлять периодическим мониторинг и контроль основных показателей качества напряжения, а также регулярный контроль правильности подключения потребителей для оперативного принятия технических мер по приведению действующих значений питающего напряжения в нормативные рамки.

Библиографический список

1. Бумагин Г. И., Дед А. В., Лютаревич А. Г. Применение методов контроля и анализа качества электроэнергии при исследовании систем электроснабжения объектов Министерства здравоохранения Омской области. Омск: ОмГТУ, 2006. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 22.02.2008, № 151 - В2008.

2. Горюнов В. Н., Осипов Д. С., Лютаревич А. Г. Расчет потерь мощности от влияния высших гармоник // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. C. 268-273.

3. Хацевский К. В., Ю. М. Денчик, В. И. Клеутин [и др.]. Проблемы качества электроэнергии в системах электроснабжения // Омский научный вестник. 2012. № 2 (110). С. 212-214.

4. Долингер С. Ю., Лютаревич А. Г., Горюнов В. Н. [и др.]. Оценка дополнительных потерь мощности от снижения качества электрической энергии в элементах систем электроснабжения // Омский научный вестник. 2013. № 2 (120). C. 178-183.

5. Дед А. В., Бирюков С. В., Паршукова А. В. Оценка дополнительных потерь мощности в электрических сетях 0,38 кВ на основе экспериментальных данных // Успехи современного естествознания. 2014. № 11-3. С. 64-67.

6. Дед А. В. К проблеме современного состояния уровней показателей несимметрии напряжений и токов в сетях 0,4 кВ // Омский научный вестник. 2017. № 2 (152). C. 63-65.

7. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 1999-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1998. 32 с.

8. О введении в действие межгосударственного стандарта: приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) [от 22 июля 2013 г. № 400-ст]. URL http://docs.cntd.ru/document/499061116 (дата обращения: 30.01.2018).

9. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 2014-07-01. М.: Стандартинформ, 2013. 10 с.

10. Прибор измерения показателей качества электрической энергии: Fluke 435 II. URL: http://www.electronpribor.ru/ catalog/16/fluke-435-ii.htm (дата обращения: 30.01.2018).

11. Анализатор качества электроэнергии Metrel MI 2892. URL: http://www.electronpribor.ru/catalog/16/mi-2892.htm (дата обращения: 30.01.2018).

12. Анализатор качества электроэнергии класса А Metrel MI 2892. URL: http://www.metrel-russia.ru/products/Kachestvo/ MI-2892-01 (дата обращения: 30.01.2018).

13. Белей В. Ф., Харитонов М. С. Некоторые рекомендации для систем освещения на основе энергосберегающих ламп // Промышленная энергетика. 2014. № 6. С. 41 — 47.

14. Велемчук Н. С. Искажение синусоидальности кривой напряжения в электрических сетях освещения. URL: http://www.teslafirm.ru/waveform-distortion (дата обращения: 30.01.2018).

ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».