Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ

УДК 622.311.1:658.26

А.С.Карпов, В.В.Ярошевич, О.М.Карпова

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ГОСТ 13109-97 В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ 6-15G КВ

Аннотация

Приведены результаты длительных исследований на действующих высоковольтных подстанциях Мурманской и Архангельской областей. Показаны основные проблемы высоковольтной сети по нормоконтролю напряжения на основе анализа показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Систематизированы существующие методы определения источников искажения качества электроэнергии.

Ключевые слова:

распределительная электрическая сеть, качество электроэнергии, измерения в действующей высоковольтной сети, локализация источников искажения, электромагнитная совместимость.

A.S.Karpov, V.V.Yaroshevich, O.M.Karpova

ASSESSMENT OF EFFICIENCY OF MONITORING RESEARCHES ON ELECTRIC POWER QUALITY IN ACCORDANCE WITH GOST 131G9-97 IN THE 6-15G KV HIGH-VOLTAGE NETWORK

Abstract

Results of long-term researches in operating high-voltage substations of the Murmansk and Arkhangelsk regions are given. Main high-voltage network problems with electric tension normal inspection are shown based on the analysis of electric power quality indicators. The existing methods of determination of sources of electric power quality distortion are systematized.

Keywords:

distributive electric network, electric power quality, measurements in operating high-voltage network, distortion sources localization, electromagnetic compatibility.

В последнее десятилетие произведена крупная организационно-правовая модернизация системы электроэнергетики России, введен целый ряд нормативных документов (МЭК, ГОСТ) и законопроектов [1-4], касающихся качества электроэнергии с точки зрения нормативно-правовых взаимоотношений поставщиков и приемников электроэнергии, а так же методов и средств измерений ПКЭ. Но основополагающим нормативным документом стал ГОСТ Р 54149-2010 [5], действующий с 2013 г. Его введение - это своевременные и обоснованные меры1, с учетом того что в 2010 г. в ЕС введен европейский стандарт для норм качества электроэнергии [6]. Однако приказом № 565-ст от 25.10.12 Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии [7] срок действия старого ГОСТ 13109-97 [8] продлен до 1 июля 2014 г., что вносит некоторую неопределенность работы нормативной базы в целом. Тем не менее, приказ № 565-ст необходим для адаптации регистраторов качества электроэнергии к новому ГОСТу [5] и дальнейшей сертификации.

В более раннем стандарте [9] даны определения показателей качества электроэнергии, а в [8] установлены значения этих показателей в точках подключения потребителей электроэнергии. Контроль показателей качества электроэнергии (ПКЭ) предусмотрен с целью периодического контроля качества электроэнергии, а также при проведении энергоаудита предприятий.

Исследование качества электрической энергии предполагает выполнение следующих этапов:

• разработка и согласование программы регистраций;

• регистрации в режиме мониторинга;

• включение и переключение приборной техники;

• обработка результатов регистраций;

• анализ и проведение контрольных регистраций.

С 2007 г. лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем № 31 ЦФТПЭС КНЦ РАН выполнена серия работ по регистрации качества электроэнергии и выявлению источников искажений. Проведены регистрации в схемах электроснабжения промышленных предприятий и населения г.Северодвинск (Архангельская обл.), г.Ковдор и Ревдинского района (Мурманской обл.), а также в распределительной сети Кольского научного центра КНЦ РАН при проведении энергоаудита (табл.1). Общая длительность регистраций составила более 2500 ч.

Таблица 1

Данные об опыте мониторинговых регистраций показателей качества электроэнергии

Место измерений Задачи измерений Число часов регистраций

Г.Ковдор 150/110/35/6 кВ Контроль ПКЭ на шинах подстанции Определение источника искажений Вьдача предложений по снижению искажений 650

Г.Северодвинск 110/10 кВ Исследование влияния нагрузок Выявление причины повышенного износа силовых трансформаторов Выдача предложения по ограничению опасных электромагнитных воздействий 180

ПГТ.Ревда 110/35/6 кВ, Контроль ПКЭ 600

с.Ловозеро 35/10 кВ Обследование нагрузки потребителей, подключенных к подстанциям ПС-33 и ПС-361 Определение вариантов ее перераспределения 600

Распределительная сеть 10 кВ КНЦ РАН Энергоаудит организации 480

Для контроля показателей качества электроэнергии использовались сертифицированные средства измерения, регистраторы напряжения и тока «Парма РК6.05» и «Парма РК3.01». Результаты регистраций в обобщенном виде приведены в табл.2.

Согласно результатам, приведенным в табл.2, практически во всех сетях присутствуют показатели электроэнергии, не соответствующие нормативу. Отмечено, что постоянно присутствуют искажения установившегося напряжения и синусоидальности. В Ревде, Ковдоре, Ловозере и в сети КНЦ РАН нарушения ПКЭ систематически превышают нормально допустимый уровень.

Таблица 2

Обобщение опыта регистраций ПКЭ

Вид зарегистрированного искажения гКовдор г.Северодвинск гРевда с.Ловозеро ТП КНЦ РАН гАпатиты

Опслонение напряжения 5Ц, Н/с* Н/с Н/с Н/с Н/с

и1(і) (по прямой последовательности) Н/с Н/с Н/с Н/с Н/с

Несинусоидальность напряжения Ки Н/с Норма Н/с Н/с Норма

Кщп) (к-т гармоник) Н/с Н/с Н/с Н/с Н/с

Несимметрия напряжения К2к Норма Норма Норма Норма Норма

Ки (по нулевой последовательности) Н/с Норма Н/с Н/с Н/с

Опслонение часплы Норма Норма Норма Норма Норма

* Н/с - не соответствует норме (превышение нормально допустимого уровня более 5% времени измерения или предельно допустимого уровня).

Кроме того, выполненные регистрации в ОАО «Архэнерго» выявили, что при относительно небольших отклонениях ПКЭ по напряжению возможны опасные токовые воздействия, повышающие износ силового оборудования, в том числе ударные изменения силы тока, а также изменения частоты и синусоидальности тока.

Регистрация ПКЭ предполагает определение наличия или отсутствия искажения напряжения на системе шин. Однако разные потребители электроэнергии, подключенные к одной системе шин, могут по-разному влиять на качество электроэнергии в целом. С одной стороны, потребитель может вносить существенные искажения напряжения, тем самым ухудшая качество электроэнергии. С другой стороны, потребитель благодаря характеру подключаемой нагрузки может компенсировать искажения, вносимые другими потребителями. С учетом того что оба потребителя могут быть подключены к одной системе шин параллельно, регистрация напряжения не позволяет определить, от какого именно подключения исходят искажения. Поэтому требуются регистрации токов на каждом подключении в отдельности.

Обобщение и анализ опыта исследований ПКЭ в схемах электроснабжения промышленных предприятий и населения г.Архангельск и Мурманской обл. позволили выявить следующее.

1. Проблема качества является актуальной для распределительной сети 6-35 кВ, а также 0.4 кВ в связи с длительным отсутствием контроля за качеством электроэнергии и ограниченностью средств защиты от искажающих факторов.

2. Контроль ПКЭ по напряжению не дает подробной информации об источниках искажений качества электроэнергии.

3. Значительные трудности возникают при выявлении источников искажений напряжения. Невозможность синхронизированной регистрации напряжения на секции и всех токов на каждом подключении к исследуемой системе шин. Поэтому при определении источника искажений требуется большой объем сопоставительных измерений.

Задачи, поставленные в технических заданиях выполненных исследований, результаты исследования и публикации в данной области показывают, что часто возникают проблемы во взаимоотношениях между электроснабжающей организацией и потребителями электрической энергии. В основном требования к обеспечению электроэнергией надлежащего качества предъявляются к энергоснабжающей организации. Взаимоотношения между электроснабжающей организацией и потребителями регулируются договорами на поставку электроэнергии.

Поскольку в большинстве случаев источником искажения является специфическая нагрузка отдельных потребителей, необходимо выполнение следующих задач:

• периодический контроль показателей качества электроэнергии в точках общего подключения потребителей;

• локализация неизвестного источника(-ов) искажений;

• получение доказательной базы для юридических разбирательств.

При большом числе потребителей, подключенных к точке общего подключения,

и искажающей нагрузке у части потребителей возникает проблема формирования финансовых отношений между потребителями и поставщиками электроэнергии. Решение этой проблемы предполагает формирование механизма определения неустоек за искажающее действие и компенсации за потребление некачественной электроэнергии.

Перечисленные проблемы формируют новые требования к разработке методов определения источников искажения качества электроэнергии и степени участия всех потребителей и электроснабжающей организации в ухудшении и улучшении качества электроэнергии. Частично они реализованы в [10], но имеют ряд допущений и недостатков.

Существующие методы локализации источника искажений в порядке их возникновения представлены в табл.3. Указанные методы формировались в соответствии с развитием приборной техники и возможностью проведения регистраций как в кратковременных, так и в длительных режимах.

Таблица 3

Обзор существующих методов определения источника ухудшения качества электроэнергии

№ метода | Характеристика метода

Допущения

Недостатки

1 Регистрации с отключением и включением отдельных потребителей

Регистрации фазы между током и напряжением гармоник. Интерпретация регистраций по фазе для определения искажающей нагрузки Регистрация тока и напряжения. Определение искажающих параметров, мощности искажений и их полярности

Регистрации на шинах потребителя. Расчет сопротивления неискажающей нагрузки, тока искажений и доли каждого потребителя в ухудшении ПКЭ Регистрация тока и напряжения. Расчет сопротивлений искажающих нагрузок. Определение доли каждой нагрузки в искажении. Расчет неустойки и компенсации

Неизменность параметров потребителя во время регистрации.

Вклад только коммутируемого потребителя Зависимость фазы тока искажения в подключении только от нагрузки.

Неучет влияния нагрузки других

Наличие одного источника искажения.

Зависимость фазы тока искажения в подключении только от нагрузки.

Мощность нагрузки и напряжение искажения не зависимы

Изменение параметров нагрузки в течение регистраций

Ухудшения качества электроэнергии возникает от искажающих токов потребителей.

Распределение влияния на ПКЭ пропорционально искажающей нагрузки и мощности неискажающей нагрузки__________

Определение вклада только отдельного потребителя при постоянных нарушениях ПКЭ

Определение вклада только отдельного потребителя.

При большом числе подключений возможна ошибка определения искажающей нагрузки Определение вклада только отдельного потребителя. Проблема определения генерирует или демпфирует искажения потребителя

Не определяется вклад неискажающих нагрузок в уменьшение искажений и параметры нагрузок

Интерпретация результатов регистраций на неустойку и компенсацию при оплате за потребленную электроэнергию. Недоработка механизма расчетов с отсутствием баланса «неустоек» и «компенсаций»

2

3

4

5

Более подробно существующие методы описаны в статье [11]. Общим недостатком методик, приведенных в таблице, является необходимость длительных мониторинговых регистраций. Наиболее перспективным из приведенных методов является второй метод, обоснование чего приведено в [12].

В результате анализа опыта регистрации качества электроэнергии в распределительных сетях определены основные проблемы и направления дальнейших исследований в части разработки методов выявления источников искажений и интерпретации данных регистраций для оценки степени участия каждого потребителя в обеспечении качества электроэнергии и их стимулирования.

Литература

1. ГОСТ Р 51317.4.30-2008 (МЭК 61000-4-30:2008). Совместимость технических средств

электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической

энергии. - Введ. 2010-01-01. - М., 2008. - Ч.4-30. - 122 с.

2. ГОСТ Р 51317.4.7-2008 (МЭК 61000-4-30:2008). Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. - Введ. 2010-01-01. - М., 2008. - Ч.4-7. - 122 с.

3. ГОСТ Р 53333-2008. Электрическая энергия. Совместимость технических средств

электромагнитная. Контроль качества электрической энергии в системах

электроснабжения общего назначения.

4. ГОСТ Р 54149-2012. Электрическая энергия. Совместимость технических средств

электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах

электроснабжения общего назначения. - Введ. 2010-01-01. - М., 2010. - 36 с.

5. ГОСТ Р 54149-2012. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. 2010-01-01. - М., 2010. - 36 с.

6. EN 50160:2010. Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks.

7. О продлении действия на территории Российской Федерации ГОСТ 13109-97: приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 25 октября 2012 г. № 565-ст: принят Министерством промышленности и торговли Российской Федерации. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

8. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (взамен ГОСТ 13109-87). - Введ. 1999-01-01. - М., 1998.

9. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения.

10. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: РД 153-34.0-15.502-2002. - Введ. 2003-05-01. - М., 2003. - 24 с.

11. Тигунцев С.Г. О вкладе потребителя в качество электрической энергии / С.Г.Тигунцев, И.И. Луцкий // Энергетика и промышленность России. - 2007. - № 3.

12. Ярошевич В.В. Проблемы локализации источников искажений электроэнергии и определение вклада подключенных потребителей в искажение или нормализацию качества электроэнергии / В.В.Ярошевич, Ю.М.Невретдинов, А.С.Карпов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып.1. - Апатиты, 2010. - № 1. - 180 с.

Сведения об авторах

Карпов Алексей Сергеевич

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: asc_apatity@mail.ru

Ярошевич Вера Васильевна

младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru

Карпова Ольга Михайловна

учитель физики Муниципального бюджетного образовательного учреждения СОШ № 10 Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Строителей д.97 эл. почта: evge8@mail.ru