Проблема качества электроэнергии (КЗ) и более общего понятия электромагнитной совместимости (ЭМС) потребителей в системах электроснабжения (СЭС) относится к числу важнейших проблем современной электроэнергетики. От ее решения во многом зависит решение проблемы повышения эффективности использования электроэнергии и надежности энергообеспечения потребителей [17, 68].
Проблема повышения эффективности использования электрической энергии была и остается одной из приоритетных среди задач, которые решаются в энергетике Украины. Только за счет мероприятий межотраслевого и технически возможного отраслевого характера предусматривается довести размеры экономии электроэнергии в 2005 году до 24,5—27,8 и 21,3—24,4 млрд. кВт ч, а в 2010 году до 39,1—51,0 и 24,3—32,0 млрд. кВт ч, соответственно [125]. Причем не меньше трети составит экономия за счет мероприятий по повышению энергетической эффективности в СЭС. Разработка основных направлений повышения энергоэффективности СЭС связана с определением причин нерационального использования электроэнергии и резервов энергосбережения, в частности его потенциала. Внедрение мероприятий по энергосбережению в СЭС, которые содержат значительное количество нелинейных и нестационарных потребителей, предусматривает обеспечение заданных уровней КЗ в системах и ЭМС ее элементов. Это связано с тем, что снижение КЗ в СЭС приводит к нарушению технологических режимов, возрастанию уровней потребления активной и реактивной мощностей, потерям активной энергии, сокращению срока службы и снижению коэффициента мощности системы и, соответственно, производительности электрического оборудования.
В условиях дефицита генерирующих мощностей возрастание уровней высших гармоник тока и напряжения в СЭС приводит к еще большему обострению проблемы ЭМС элементов системы.
Это объясняется необходимостью обеспечения эффективной совместной работы электротехнического и электроэнергетического оборудования с разными характеристиками, устранения их взаимного влияния. В связи с этим следует отметить сближение сути и проявлений проблемы повышения энергоэффективности и проблемы обеспечения КЭ и ЭМС в СЭС, что делает обоснованным поиск единого подхода к их решению.
Качество электроэнергии является существенным фактором, влияющим на эффективность режимов энергосистемы и потребителей. Проблема обеспечения КЗ в электрических сетях общего и специального назначения приобрела в последнее десятилетие особую актуальность. Это вызвано широким внедрением новых прогрессивных технологических процессов и систем и, как следствие, непрерывным ростом числа и мощности нелинейных, несимметричных и быстроизменяющихся потребителей электроэнергии, средств цифровой техники, а также соответствующими режимными изменениями потокораспределения в электрических сетях. В Украине положение с КЭ ухудшается из-за недостаточной пропускной способности электрических сетей (особенно низкого напряжения, длина линий которых достигает 50 % общей длины всех линий электропередачи); устарелых методов их проектирования и эксплуатации, не учитывающих в достаточной степени показатели КЭ; отсутствия современных средств измерения КЭ и эффективных средств его улучшения. Многочисленные исследования режимных параметров в электрических сетях Украины свидетельствуют о том, что основные показатели КЭ не всегда отвечают существующим требованиям.
Круг вопросов, составляющих содержание этой проблемы, достаточно обширен и, в основном, сводится к следующим: определению влияния электромагнитных помех на электрооборудование и оценке возникающего при этом экономического ущерба, оценке значений электромагнитных помех, генерируемых различными нелинейными и резкопеременными нагрузками, прогнозированию их значений в разных узлах СЭС и, наконец, минимизации их уровней до значений, допустимых соответствующими стандартами.
Важность решаемой проблемы наиболее наглядно иллюстрирует экономическая оценка последствий снижения КЭ. Так, по данным, опубликованным в американских периодических изданиях в 2000 году, ежегодный экономический ущерб в США, обусловленный низким качеством электроэнергии, составляет (по разным публикациям) 30—50 млрд. дол.
США в год за счет отрицательного влияния главным образом высших гармоник. Широкие исследования, проведенные в Советском Союзе к началу 90-х годов XX века, позволили оценить общий ущерб суммой более 10 млрд. дол. США в год, что значительно меньше, чем ущерб от низкого КЭ электроэнергетики США. Это объясняется тем, что уровень использования нелинейных нагрузок, в первую очередь устройств силовой преобразовательной техники, в 80-е годы в СССР был значительно ниже, чем в США в 2000 году [54]. По экспертным оценкам минимальный ущерб от сниженного КЭ в целом по Украине составляет не меньше 7,2 млрд. грн ежегодно.
В настоящее время рост установленной мощности нелинейных нагрузок даже в развитых странах опережает внедрение мероприятий по минимизации генерируемых ими электромагнитных помех. Например, в низковольтных распределительных сетях Швейцарии содержание гармоник в течение 12 лет возросло на 30 %. Аналогичная ситуация наблюдается и в Украине. Поэтому сегодня нельзя сказать, что мы приближаемся к коренному решению проблемы КЭ и ЭМС. Это станет возможным лишь при разработке экономически и юридически обоснованных норм, методов и средств минимизации уровней показателей КЭ.
Проблема высших гармоник особенно остро проявляется и имеет свои особенности в сетях низкого напряжения (НН). С одной стороны, в настоящее время в низковольтных сетях жилых и общественных зданий широко распространены и непрерывно возрастают в количестве сравнительно маломощные нелинейные электроприемники, такие, как, средства компьютерной техники, телекоммуникационная аппаратура, аудио- и видеотехника, современные бытовые электроприборы и т.д. Несмотря на небольшую мощность каждого из этих потребителей электроэнергии, их массовое применение является причиной значительных искажений синусоидальности кривых напряжений в сетях НН. С другой стороны, именно в низковольтных сетях получили распространение ответственные электропотребители, отличающиеся повышенной чувствительностью к воздействию высших гармоник, которое приводит к существенному техникоэкономическому ущербу. Причем очень часто рассматриваемые электроприемники (в первую очередь, средства компьютерной техники) являются одновременно виновниками и жертвами нарушений ЭМС. Поэтому сегодня можно утверждать, что Украина столкнулась с новой серьезнейшей проблемой, которая требует безотлагательного решения.
Очевидно, что существует потребность в проведении научных исследований по разработке практических рекомендаций, направленных на улучшение КЭ и обеспечение ЭМС потребителей низковольтных электрических сетей зданий и сооружений. В настоящее время для проведения анализа электромагнитных процессов в сетях НН с нелинейными нагрузками в целях определения их влияния на сеть используются соответствующие математические модели. Однако существующие модели не учитывают в полной мере параметры основных элементов электрической сети и не позволяют определить уровни высших гармоник токов и напряжений на зажимах отдельных электроприемников, подключенных к сети электроснабжения. Поэтому дальнейшее развитие научных исследований по разработке эффективных моделей и методик в целях определения количественных и качественных характеристик несинусоидальности токов и напряжений, а также разработка на основе результатов исследований способов и технических средств обеспечения ЭМС в низковольтных электрических сетях с нелинейными потребителями являются весьма актуальными.
