Раздельное измерение энергии основной и высших гармоник - путь к повышению эффективности использования электроэнергии

Анализ графиков тока трансформатора двух моделей комплекса показывает, что при учете изменений активного и индуктивного сопротивлений ротора под влиянием эффекта вытеснения тока ротора возмущение тока трансформатора возрастает на 9%. Следова-

тельно, недооценка эффекта вытеснения тока при формировании алгоритма самозапуска электроприводов ведет к неточной оценке силы тока на шинах питающего трансформатора и, как следствие, может вести к неправильному составлению алгоритма.

Библиографический список

1. Носов К.Б., Дворак Н.М. Способы и средства самозапуска электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1982.

2. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Динамические компенсаторы искажений напряжения как способ повышения эффективности работы потребителей при нарушениях электроснабжения // Главный энергетик. 2006. №6. С. 24-29.

3. Голоднов Ю.М.. Харенян А.Х. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергия, 1974.

4. Гамазин С.И. Самозапуск электрических двигателей. М.: Московский энергетический институт, 1979.

5. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1985.

6. Гамазин С.И., Садыкбеков Т.А. Переходные процессы в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. Алма-Ата «Гылым», 1991.

7. Проектирование электрических машин: учебное пособие для вузов / под ред. И.П.Копылова. М.: Энергия, 1980. 496 с.

8. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А.Э.Кравчик, М.М.Шлаф, В.И.Афонин и др. М.: Энергоатомиздат, 1982.

УДК.621.317.785

РАЗДЕЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОСНОВНОЙ И ВЫСШИХ ГАРМОНИК - ПУТЬ К ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

А.С.Смирнов1, Н.Н.Солонина2, К.В.Суслов3

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664083, г. Иркутск, ул. Лермонтова ,83.

Показана необходимость раздельного измерения энергии ОГ и ВГ. Измерение энергии ВГ и решение юридических вопросов, связанных с оплатой за эту энергию, должно побудить как электроснабжающие организации, так и потребителей принимать технические и организационные меры по снижению уровня ВГ в сети. Все это должно привести к улучшению формы напряжения питающей сети и, соответственно, к повышению эффективности использования электроэнергии потребителями. Ил. 3. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: электроэнергетика; качество электрической энергии; эффективность использования электроэнергии; счетчик энергии основной и высшей гармоник; энергия высших гармоник.

SEPARATE ENERGY MEASUREMENT OF FUNDAMENTAL AND HIGHER HARMONICS - A WAY TO INCREASE THE EFFICIENCY OF ELECTRIC POWER USE A.S. Smirnov, N.N. Solonina, K. V. Suslov

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

The authors demonstrate the need for separate measurement of the energy of the fundamental harmonic and higher harmonic. The measurement of the energy of higher harmonic and the solution of the legal issues related to the payment for this energy should encourage power supplying organization as well as consumers to take technical and organizational measures to reduce the level of higher harmonic in the network. All these should improve the voltage forms of the power system and, accordingly, to increase the efficiency of energy use by consumers. 3 figures. 6 sources.

Key words: electrical power engineering; quality of electric power; efficiency of energy use; energy meter of fundamental and higher harmonics; energy of higher harmonics.

1Смирнов Анатолий Серафимович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952) 405253, 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

Smirnov Anatoly Seraphimovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 405253, 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

2Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952) 405253, 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Nafisa Nazipovna, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 405253, 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

3Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952) 405253, 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

Suslov Konstantin Vitalievich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 405253, 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

Высшие гармоники (ВГ) питающего напряжения приводят ко многим негативным последствиям.

Основными факторами отрицательного воздействия высших гармоник на систему электроснабжения является увеличение токов и напряжений ВГ вследствие параллельного и последовательного резонансов, что приводит к старению изоляции электрооборудования и сокращению срока его службы.

Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора электрических машин. Дополнительные потери - одно из самых отрицательных явлений, спровоцированных гармониками во вращающихся машинах, т.к. вызывает повышение общей температуры машины и местные перегревы.

Гармоники тока в линиях электроснабжения приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения. В воздушных линиях высокого напряжения гармоники напряжения могут вызывать увеличение потерь на корону.

Высшие гармоники значительно повышают потери в силовых трансформаторах из-за увеличения вихревых токов, так как эти потери пропорциональны квадрату значения частоты. При росте потерь вырастает и фактическая рабочая температура трансформатора, что значительно сокращает срок его службы.

Уставки релейной защиты обычно рассчитываются на токи и напряжения основной гармоники защищаемого участка цепи. Появление высших гармоник может привести к ложным срабатываниям предохранителей и автоматических выключателей вследствие их дополнительного нагрева токами ВГ. Возрастает вероятность резонансных коммутационных перенапряжений, приводящих к преждевременному выходу из строя электрического оборудования. Измерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении, поэтому даже незначительное отклонение формы сигнала от синусоиды увеличивает погрешность, упоминается влияние гармоник на точность поверки и калибровки приборов в лабораториях [3].

В соответствии с установленными требованиями к качеству электрической энергии предусматривается две нормы, касающиеся высших гармоник питающей сети: коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент высших гармоник. Но если даже измерить вышеупомянутые коэффициенты, например, на входе отдельного потребителя, то остаются вопросы: кто является источником появления высших гармоник в сети и за чей счет производить улучшение вышеупомянутых параметров качества электроэнергии. Решение этих вопросов носит как технический, так и административный характер.

Отметим сразу, что ВГ в энергосистеме создаются совместными усилиями как производителей, так и потребителей энергии [6]. По техническим причинам практически невозможно создать промышленный образец генератора, который бы вырабатывал чисто синусоидальную ЭДС. Что же касается потребителей

электроэнергии, то их достаточно условно можно разделить на две группы.

Первая группа потребителей не генерирует ВГ в энергосистему - это приемники с почти линейной вольтамперной характеристикой: осветительная аппаратура, электронагреватели, двигатели переменного тока, бытовая нагрузка. Эти потребители получают из системы наряду с энергией основной частоты так же и энергию ВГ. В большинстве случаев эта энергия вредна. Перечислим основные моменты отрицательного влияния ВГ: снижение энергетических показателей двигателей переменного тока; снижение точности измерений действующего значения тока; нарушение работы компьютерных сетей; перенапряжения при возможных резонансных явлениях на частотах ВГ.

Вторая группа потребителей сама генерирует ВГ в питающую сеть. Это электроприемники с нелинейной вольтамперной характеристикой: силовые электронные преобразователи; выпрямительные установки для электролиза; выпрямители для двигателей постоянного тока; электрический транспорт; электродуговые печи; сварка и т. д. При этом электроснабжаю-щая организация несет ущерб. Это могут быть расходы на мероприятия по снижению уровня гармоник в сети, а также расходы на выплаты штрафов первой группе потребителей в качестве компенсации за ущерб, связанный с несинусоидальностью напряжения сети.

Из этого следует, что необходимо: разработать счетчик раздельного измерения: энергии основной гармоники (ОГ) - величины и знака энергии ВГ - и суммарной энергии -Ж = Ж, + Жнн;

определить способ компенсации ущерба, наносимого высшими гармониками сети первой группе потребителей;

определить способ компенсации ущерба, наносимого элекроснабжающей организации высшими гармониками второй групп потребителей.

Счетчик энергии ВГ должен быть реверсивным, то есть указывать направление потока энергии ВГ. Положительному значению этой энергии соответствует случай, когда энергия ВГ поступает из питающей сети потребителю, и, наоборот, отрицательному значению - когда энергия ВГ поступает в сеть от потребителя.

Любой счетчик электрической энергии, независимо от принципа действия, производит интегрирование активной мощности по времени.

Рассмотрим общий случай (рис. 1, а), когда ВГ присутствуют в питающей сети и генерируются нелинейным электроприемником, при этом падением напряжения в токовой цепи счетчика можно пренебречь,

то есть иш = икь. Для простоты анализа представлен традиционный однофазный счетчик и указаны направления токов и напряжений ОГ и ВГ на входе и

выходе счетчика. На рис.1, а обозначено: 1,и - начала токовой обмотки и обмотки напряжения счетчика; 11,и1 - комплексы действующих значений тока и

А

-

О

а

г

I

и, \

Ф-

кЫ

и

кЫ > <

и

I

1кЬ

и,

кЬ > 1

а я

а

и

кЫ

•с и

си

и,

кЫ

а я о

-0

Ь

<5

£ О 2

и,

>

0-

I,

и

и

кЬ

а о

Рис.1. Схемы включения счетчика

напряжения основной гармоники; I' кЫ ,икЫ ,1' кь,0кь

- комплексы действующих значений тока и напряжения высшей гармоники, поступающей на счетчик соответственно из системы (М) и из приемника (I).

Определим суммарную энергию, которая фиксируется традиционным счетчиком:

I¡кь - токи ВГ электроприемника, направления

к=2

которых противоположны току нагрузки;

п

и1, Iик - соответственно напряжение ОГ и ВГ,

Ж = |тЛ =П + 1 1Ш-1¡кь и1 + 1

о 0 V к=2 к=2 У V к=2

где / - ток нагрузки счетчика;

и - напряжение нагрузки счетчика;

п

¡1, I ¡кЫ - соответственно ток ОГ и токи ВГ се-

к=2

ти, поступающие на вход счетчика;

к=2

их направления и величина одинаковы на входе и выходе счетчика.

Учитывая, что среднее за период значение произведения мгновенных значений синусоид различной частоты равно нулю, получаем:

г п г

Ж = ] щЖ + 1 1кыикйг -

-II

к=2

к=2 о

= Ж + ЖННЫ - Жннь,

с

кЬ

где Ж,Ж1 - соответственно суммарная энергия и энергия ОГ, потребляемая приемником;

Жнн к - энергия ВГ, поступившая в электроприемник из питающей сети;

W

'' и

- энергия ВГ, переданная нелинейным

электроприемником в питающую сеть.

Таким образом, мы установили, что энергия, измеренная традиционным счетчиком, состоит из суммы энергий ОГ и ВГ

Рассмотрим случай (рис.1, b), когда электроприемник первой группы потребителей подключен к питающей сети, которая содержит ВГ с номером к, т.е. высшая гармоника поступает из системы в электроприемник. Знак активной мощности P и, соответственно, энергии W зависит от фазового сдвига.

р = Ш - Ш, 0o <р < 90o,

Рк = Шик - Ш, 0О <рк < 90°, здесь р1 и рк - фазовый сдвиг между напряжением и током соответственно ОГ и ВГ на входе счетчика.

Углы рг и рк определяются комплексным сопротивлением электроприемника. На практике чаще всего электроприемники носят активно-индуктивный характер, то есть углы изменяются в пределах от 0о до 90о. cospl > 0; р > 0; Щ > 0;

cospk > 0; Pk > 0; Wk > 0. '

В этом случае потребитель первой группы платит за сумму энергий ОГ и ВГ, то есть оплачивает ненужную ему энергию ВГ.

Рассмотрим противоположный случай (рис.1с), когда приемник второй группы потребителей генерирует высшую гармонику с номером к, т.е. высшая гармоника поступает от электроприемника в систему. В тоже время напряжение питающей сети гармоник не содержит:

Рк = шик - Шк, 90о <Рк < l80O.

Угол рк определяется внутренним сопротивлением генератора ВГ:

cosp > 0; р > 0; Щ > 0;

cospk < 0; Рк < 0; Wk < 0.

U,

Остается открытым вопрос о величине и знаке энергии ВГ. В литературе по вопросам качества электроэнергии это формулируется как определение вклада отдельного приемника в гармонический состав сети. Существуют методы по определению этого вклада посредством измерения уровня гармоник сети до и после отключения отдельного электроприемника. Опыт показывает, что результаты таких измерений имеют очень большой «разброс» из-за непредсказуемых изменений режимов работы других электроприемников. Кроме того, специалистов по электроснабжению часто не интересует спектральный состав напряжения сети и распределение энергии ВГ по отдельным гармоникам. Им важно, чтобы поток энергии ВГ, идущий от питающей сети, лежал в рамках, обеспечивающих надежную и высокопроизводительную работу элекроприемника. Авторы берут на себя смелость сказать, что предлагаемый реверсивный счетчик энергии ВГ является реальным решением по определению вклада отдельного электроприемника в гармонический состав сети.

Остаются нерешенными вопросы:

• метрологические - калибровка счетчика;

• экономические - оценка стоимости энергии ВГ, оплата энергии.

Очевидно, что потребители, являющиеся источником ВГ, не заинтересованы во внедрении предлагаемого счетчика.

Для пояснения сказанного рассмотрим векторные диаграммы обоих случаев. На рис. 2, а представлен случай, когда ВГ поступает из сети в приемник, а рис. 2, Ь иллюстрирует случай, когда ВГ поступает из электроприемника в сеть. Для упрощения построений будем полагать, что сопротивления приемника и генератора гармоник носят чисто активный характер.

Известно, что фазовый сдвиг между током и напряжением численно равен угловому сдвигу между изображающими векторами тока и напряжения на векторной диаграмме, причем угол отсчитывается от вектора тока против часовой стрелки в направлении вектора напряжения.

Мы получили достаточно неожиданный результат: во втором случае суммарная активная энергия меньше активной энергии ОГ на величину энергии ВГ и потребитель второй группы платит меньше, чем нужно.

Потребитель, который преобразует электроэнергию в тепловую (например, электрокотельная), использует обе энергии и должен их оплачивать. При-

Щ > 0

U,,

Wk > 0

и,

Uk

Щ > 0

Wk < 0

Рис. 2. Векторные диаграммы

a

к

I

к

b

сутствие высших гармоник в питающем напряжении не имеет большого значения для такого потребителя -для него важна суммарная энергия.

Потребитель же, который преобразует электрическую энергию в механическую с помощью машин переменного тока (асинхронные и синхронные машины) использует только энергию ОГ. Энергия ВГ для них вредна, так как снижает экономические показатели работы машин. Следовательно, несправедливо требовать оплаты этой части электроэнергии потребителем. Более логично было бы измерить эту составляющую энергии и потребовать оплаты ее со стороны поставщика электрической энергии.

Особо отметим потребителей, которые генерируют ВГ, энергия которых поступает в питающую сеть и передается в дальнейшем всем другим потребителям, подключенным к данной сети .

Таким образом, в случае а потребитель первой группы платит за сумму энергий ОГ и ВГ, а в случае Ь потребитель второй группы платит за разность энергий ОГ и ВГ. То есть имеет место двойная несправедливость.

Из всего сказанного вытекает, что необходим счетчик активной энергии, который бы осуществлял раздельное измерение суммарной энергии, энергии ОГ и энергии ВГ с учетом ее направления.

Еще несколько лет назад вопрос раздельного измерения энергии основной и высший гармоник носил бы чисто академический характер, но современная измерительная техника позволяет решить эту задачу. Естественно, потребуется дополнительное научное осмысление возникающих метрологических проблем, а коммерческий учет энергии ВГ потребует и законодательного решения.

На рис.3 представлена предлагаемая обобщенная структурная схема однофазного цифрового счетчика с раздельным измерением энергии основной и высших гармоник электроприемника. В данной схеме: 1 -аналоговый формирователь напряжений ии и ,

пропорциональных напряжению и и току / нагрузки Ц; 2

- цифровой счетчик полной энергии; 3, 4 - фильтры нижних частот; 5 - блок измерения длительности периода основной гармоники; 6, 7 - аналого-цифровые преобразователи АЦП; 8 - счетчик энергии ВГ; 9 -устройство сравнения.

Рассмотрим работу счётчика. Блок 1 вырабатывает измерительную информацию в виде напряжений ии и , пропорциональных соответственно напряжению и току электроприемника. Напряжение ии

можно получить с помощью измерительного трансформатора напряжения, а в цепи 0,4 кВ с помощью резистивного делителя напряжения. Напряжение ил

можно получить с помощью измерительного трансформатора тока. Для измерения ОГ необходимо выделить первые гармоники напряжений ии1 и ип.

Уровни напряжений ии и и находятся в пределах

динамического диапазона АЦП. Это позволяет использовать для выделения ОГ активные электронные фильтры нижних частот, которые без ослабления пропускают ОГ и ослабляет практически до нуля ВГ. Традиционный счетчик 2 измеряет суммарную энергию основной и высших гармоник приемника Ц. Блоки 3 и 4

- фильтры нижних частот, пропускающие основные

гармоники ии1 и ип . Блок 5 измеряет длительность

периода ОГ питающего напряжения и вырабатывает тактовые импульсы, управляющие работой цифровых устройств счетчика, а именно, блоков 6, 7, 8, 9 счетчика.

Блоки 6 и 7 вырабатывают в цифровой форме напряжения, пропорциональные соответственно основным гармоникам напряжения и тока электроприемника. Традиционный счетчик 8 измеряет мощность основной гармоники электроприемника. Его особенностью является то, что на его вход поступают сигналы в цифровой форме с малым шагом выборки. Шаг вы-

и^

N

Ь

± 3

ии!

4 ип 7

и- 8 - 9

и 5 г*

Рис.3. Обобщенная структурная схема счетчика энергии высших гармоник

и

и

1

2

и

и

6

борки определяется частотой ВГ, которая вносит реальный вклад в энергию ВГ. Блок 9 - устройство сравнения, определяющее абсолютную величину и знак разности Ж - Ж1 = Жнн. Сигналы Ж, Ж1 и Жнн по каналам связи поступают в диспетчерский пункт, где происходит их дальнейшая обработка для принятия административных и технических мер.

Отметим два возможных результата: Жнн >0 и Жнн < 0. Первый результат говорит о том, что энергия высших гармоник поступает в приемник из питающей сети; второй - о том, что энергия высших гармоник от приемника поступает в питающую сеть. Таким образом, счетчик одновременно производит измерение трех активных энергий: № - суммарная энергия, по которой производится расчет с потребителями ин-деферентными к уровню гармоник (электрокотельная); №1 - энергия первой гармоники, по ней производится

Библиографический список

расчет с потребителями; Жнн - энергия высших гармоник, за эту энергию потребители первой группы получают от электроснабжающей организации компенсацию, а потребители второй группы оплачивают штраф в пользу электроснабжающей организации.

Измерение энергии высших гармоник, которая поступает из питающей сети потребителю и решение юридических вопросов, связанных с оплатой за эту энергию, должно побудить электроснабжающие организации принимать технические и организационные меры по повышению качества энергии. Измерение энергии высших гармоник, которая поступает из электроприемника в питающую сеть и плата за эту энергию должны побудить, в свою очередь, потребителей принимать технические и организационные меры по повышению качества энергии, что должно привести к улучшению формы напряжения питающей сети.

1. Arrillaga Jos. Power system harmonics /J. Arrillaga, N.R. Watson. 2 ed. Chichester: Wiley, 2003.

2. DeKeulenaer, Hans, Power Quality&Utilisation Guide, Leonardo Energy, 2006.

3. Heriakian, Isabelle, Power quality critical sectors: Power Quality for healthcare facilities, Leonardo Energy, 2009.

4. Key, T and I.S.Lai "Cost and Benefits of Harmonic Current Reduction for Switch-Mode Power Supplies in a Commercial Building" in Con! Rec. of IEEE IAS Annual. Mtg., Orlando, FL, Oct. 1995, pp.1101 -1108.

5. Lai, S. and T.S.Key, "Cost Effectiveness of Harmonic Mitigation Equipment for Commercial Office Buildings" IEEE IAS Annual Mtg., San Diego, CF, Oct.1996.

6. Rusdy, Hartungi and Liben, Jiang "Investigation of Power Quality In Health Care Facility" International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ'10) Granada (Spain), 23rd to 25th March, 2010.

7 K.V.Suslov, N.N.Solonina, A.S.Smirnov Separate measurement of fundamental and high harmonic energy at consumer inlet - a real way to improve supply network voltage waveform // Modern Electric Power Systems 2010, Wroclaw, Poland.

УДК 621.311

ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА ПРИ ОДНОСТОРОННИХ ИЗМЕРЕНИЯХ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

А.А.Устинов1, А.Н.Висящев2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Проведен анализ существующих методов определения места повреждения по параметрам аварийного режима при односторонних измерениях на воздушных линиях электропередачи, предложены новые итерационные методы определения места повреждения, повышающие точность. Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 18 назв.

Ключевые слова: определение места повреждения; воздушные линии электропередачи;параметры аварийного режима; итерационные методы.

ITERATIVE METHODS OF FAULT LOCATION BY ONE-SIDED PARAMETERS OF FAULT STATE FOR OVERHEAD

TRANSMISSION LINES

A.A. Ustinov, A.N. Visyaschev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

Analysis has been performed for methods of fault location by one-sided parameters of fault state for overhead transmission lines, new iterative methods, improving accuracy, have been proposed. 2 figures, 1 tables, 18 sources.

Key words: fault location, overhead transmission lines, parameters of fault state, iterative methods.

1Устинов Алексей Александрович, аспирант. Ustinov Alexey Alexandrovich, postgraduate student.

2Висящев Александр Никандрович, профессор кафедры электрических станций сетей и систем, тел.: (3952) 405127. Visyaschev Alexander Nikandrovich, professor of the chair of Electrical Stations, Networks, and Systems, tel.: (3952) 405127.