Электромагнитная совместимость и ее оценка в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками
Под электромагнитной совместимостью понимается способность электроприемника нормально функционировать в окружающей электромагнитной среде и не вносить в эту среду помех, нарушающих работу других электроприемников. Под средой понимается как сеть электроснабжения, так и электромагнитные поля. При этом понятие ЭМС охватывает не только взаимное влияние электроприемников или их элементов, но и взаимное влияние электроприемников и сети, так как сеть содержит комплекс различных воздействий всех электропотребителей, подсоединенных на всем ее протяжении.
Электромагнитная совместимость электрооборудования в конкретной сети является результатом оптимизации КЭ в этой сети. Иными словами, качество электроэнергии определяется совокупностью стандартных показателей, которые характеризуют режим работы электрической сети с точки зрения более общего понятия электромагнитной совместимости потребителей электроэнергии. Задачи оптимизации показателей качества электроэнергии (ПКЭ) многие авторы решали еще до широкого распространения понятия ЭМС. Например, в [124] отмечалось, что различные ПКЭ воздействуют на разные электроустановки по разному. Поэтому при контроле ПКЭ для получения полной картины влияния искажений должны измеряться все показатели. Для упрощения контроля предлагалось измерять и контролировать не все показатели в отдельности, а один общий критерий качества «общее искажение трехфазных напряжений И». Он численно равен отношению действующего напряжения всех искажающих факторов к номинальному значению напряжения трехфазной сети. Таким образом, автор [124] предполагал получить полную информацию о КЭ в конкретной сети и оптимизировать его интегрально, а не по отдельным показателям. Введение общего критерия качества «И» было одним из первых шагов на пути к оценке ЭМС электрооборудования.
В работах [89, 212] приведены аналитические выражения для определения дополнительных потерь мощности и снижения срока службы основного электрооборудования энергосистем (вращающиеся машины, трансформаторы, батареи конденсаторов, линии электропередачи) в функции отдельных ПКЭ. Здесь же для определения кратности снижения срока службы указанного оборудования вводится понятие коэффициента искажения как функции отдельных ПКЭ. В работе [102] предлагается оценку влияния помех на электрооборудование предприятий выполнять по совместному воздействию несимметрии и несинусоидальности, исходя из условия суммирования температур дополнительных перегревов от указанных помех.
В работе [56] вводится обобщенный показатель несинусоидальности, который является экономически обоснованным с точки зрения ущерба от высших гармоник. При этом рассматриваются следующие составляющие ущерба: сокращение срока службы оборудования вследствие ускоренного старения изоляции, стоимость ремонта кабельных сетей вследствие повышенной аварийности и дополнительные активные потери в электрических сетях. Причем в этом случае отсутствуют нарушения нормальной работы электроприемников (повреждение оборудования, сбои в работе чувствительного оборудования и т. д.). Обобщенный показатель рассчитывается для конкретной СЭС различных отраслей народного хозяйства. Таким образом, предложенный показатель позволяет оценить КЭ в конкретной сети в том случае, если нет нарушений нормальной работы электроприемников.
Однако в условиях конкретной сети нагрузки могут оказаться несовместимыми в электромагнитном отношении даже при минимальных значениях несинусоидальности или несимметрии напряжения. Иными словами, при проектировании современных СЭС необходимо не только выдерживать все нормативные требования к КЭ, но и учитывать ЭМС разных приемников электроэнергии и влияние на нее параметров самой СЭС [158]. Так, в [79] ущерб от нарушения ПКЭ в конкретной сети рассчитывается уже с учетом фактора ЭМС, и только при этом условии функция ущерба минимизируется. Если получен экономически обоснованный оптимум ПКЭ [52], но при этом не учтена ЭМС электроприемников, то говорить о решении задачи оптимизации КЭ не представляется возможным.
В настоящее время существует потребность в оценке и нормировании ЭМС конкретных видов электрооборудования — источников электромагнитных помех и устройств, подверженных их влиянию. Говоря о нормировании, следует помнить, что вопросы влияния высших гармоник на оборудование традиционно рассматривались в рамках проблемы КЭ.
Поэтому система показателей и норм, характеризующих электромагнитную обстановку в сети, при которых должно обеспечиваться нормальное функционирование электрооборудования, была установлена ГОСТ 13109—67. Анализ этого стандарта выявил ряд существенных недостатков, затрудняющих обеспечение ЭМС оборудования, особенно электронного, с сетью питания, преодолению которых способствовало внесение в новую редакцию стандарта — ГОСТ 13109—87 — изменений. Были введены новые ПКЭ, в том числе коэффициент п-и гармонической составляющей напряжения; нормированы погрешности измерения ПКЭ и установлен единый период измерения при сопоставлении с нормой. Однако эти и другие изменения не исключали полностью всех недостатков прежнего стандарта [9]. Главное то, что эти нормы по-прежнему во многих случаях не отражали требований к обеспечению ЭМС.
В действующем сегодня стандарте четко установлено, что проблема КЭ является составной частью общей проблемы ЭМС между СЭС общего назначения и СЭС потребителей электрической энергии. Это нашло отражение в наименовании стандарта, которое сформулировано следующим образом: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», и в очень важном положении о том, что «нормы КЭ, устанавливаемые настоящим стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех», передаваемых по электрическим сетям. Кроме того, в ГОСТ 13109—97 подчеркнута взаимосвязь между нормами стандарта, уровнями помехоустойчивости приемников электрической энергии и уровнями кондуктивных электромагнитных помех, вносимых этими приемниками.
Межгосударственный [27] и национальный [34] стандарты устанавливают нормы допустимых значений электромагнитных помех в сетях, а также дают определения около 160 терминов, относящихся к проблеме. Так, согласно ГОСТ 13109—97 нормально и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (прежнее наименование «коэффициент несинусоидальности») в сетях с напряжением 0,38 кВ установлены соответственно 8 и 12 %.
Следует отметить, что согласно ГОСТ 13109—97 нормально и предельно допустимые значения для отдельных гармонических составляющих напряжения в электрических сетях напряжением 0,38 кВ совпадают с соответствующими уровнями ЭМС, установленными в стандарте Международной электротехнической комиссии (МЭК) 1ЕС 1000-2-2. По имеющейся у нас информации в Российской Федерации в 2001—2002 гг. должна была быть введена серия Государственных стандартов — аналогов стандартов МЭК серии 1000 (совместимость технических средств электромагнитная). Нормы национальных стандартов многих европейских стран (Дания, Норвегия, Чехия и др.) в основном соответствуют нормам стандартов МЭК. Хотя есть исключения: например, в Польше нормы устанавливают нормально и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения соответственно 7 и 10 %. В Швеции, считая европейские стандарты недостаточно строгими, установили предельно допустимое значение Ки= 6 % [206].
Для сравнения укажем, что длительно допустимые значения аналогичного показателя по ГОСТ 13109—67 были приняты 5 %. Согласно ГОСТ 13109—87 максимальные допустимые значения указанного коэффициента были повышены и составляли 10 %. Очевидно, что и те, и другие допуски были существенно меньше ныне действующих нормативов, т.е. нельзя не отметить четко выраженную отрицательную, на наш взгляд, тенденцию к увеличению допустимых пределов электромагнитных искажений в части формы кривой напряжения. С учетом компромисса между интересами поставщиков электроэнергии в виде электроснабжающих компаний, не имеющих достаточно средств на развитие сетей, и потребителей электроэнергии, работающих в сложных экономических условиях, можно понять указанную тенденцию, но одобрить ее все же трудно.
Для того чтобы любой стандарт был эффективным, необходимо, чтобы используемые в нем показатели имели четкий физический смысл, а методы их определения и нормирования вытекали из особенностей оценки последствий воздействия искажений напряжений на электрооборудование. Предельно допустимые или иные их значения должны быть установлены на основании технико-экономических расчетов либо экспертных оценок. При этом нормы могут быть различными и зависеть от целого ряда факторов.
Стандарты должны оказывать стимулирующее воздействие на развитие техники. Для этого они должны быть, с одной стороны, «опережающими», созданными на основе проведенных научно-исследовательских работ, с другой стороны, учитывать реальные, исторически сложившиеся особенности используемого существующего электрооборудования, системообразующих и распределительных электрических сетей разных классов напряжений действующих энергосистем и предприятий.
ТАБЛИЦА 1.1
Допустимые значения токов высших гармоник согласно стандарту IEEE 519
Использование «опережающих» стандартов стимулирует развитие принципиально нового оборудования и улучшение характеристик старого. Например, ГОСТ 13109—87 в определенной мере способствовал развитию технических средств улучшения КЭ, применению многофазных схем выпрямления переменного тока, разработке электротехнологических установок с меньшей степенью отрицательного воздействия на питающие сети и др.
Широкому развитию работ по созданию преобразователей с улучшенной ЭМС способствовало введение в ряде стран стандартов на качество потребляемого от сети тока [197]. Так, в США действует стандарт IEEE 519, распространяющийся на электрические системы, содержащие нелинейные потребители. Подобные стандарты введены и в странах Западной Европы:
- IEC 1000-3-2 нормирует гармонические искажения тока, поступающие в сеть от потребителей с током до 16 А;
- IEC 1000-3-4 нормирует гармонические искажения тока, поступающие в сеть от потребителей с током более 16 А.
Допустимые значения амплитуд гармоник тока по стандарту IEEE 519 зависят от соотношения тока короткого замыкания в узле подключения потребителя и тока основной гармоники IL. Допустимые значения первых 27 нечетных гармоник (в процентах основной) приведены в табл. 1.1. Четные гармоники не должны превышать 25 % ближайшей нечетной.
В связи с этим в [66] обосновывается вывод о необходимости совершенствования собственной нормативно-правовой базы электротехники в части нормирования эмиссии гармонических составляющих тока. В работе [170] также предлагается дополнить ГОСТ 13109—97 показателями несинусоидальности электрического тока для контроля работы потребителя в целях выявления эмитентов ухудшений ПКЭ и использования экономических стимулов к улучшению конкретных ситуаций в электросетях. По мнению авторов, это позволит привлечь потребителей к ответственности за эмиссию ухудшений ПКЭ. К сожалению, затруднения вызывает отсутствие научно-методической и нормативно-правовой базы, которая позволила бы выявить конкретных эмитентов ухудшений ПКЭ, определила бы их экономическую ответственность и стимулировала бы их заинтересованность в исправлении ситуации. В сетях НН ситуация еще больше усложняется в связи с тем, что низковольтные потребители очень часто являются одновременно виновниками и жертвами ухудшения ЭМС.
Решение проблемы КЭ в целом должно основываться на системном подходе к ней. Его смысл применительно к рассматриваемой проблеме заключается в том, что нельзя решать проблему КЭ вне взаимной связи и зависимости параметров ЭМС оборудования разных типов и электрических сетей. Электрооборудование должно обладать такими параметрами ЭМС, чтобы оно могло нормально выполнять присущие ему технические функции в условиях существующего КЭ в существующих электрических сетях и не ухудшать условия работы других видов электрооборудования и самих электрических сетей.
К сожалению, в настоящее время очень часто, когда говорят об улучшении ЭМС нелинейной нагрузки с сетью питания, имеют в виду простое снижение уровня высших гармоник в сети. При этом остается не выясненным значение ПКЭ, при котором действительно достигается ЭМС конкретного оборудования. Например, в работе [6] рассмотрены мероприятия по снижению уровня высших гармоник до пределов, регламентированных ГОСТ 13109—87. После достижения искомого значения ПКЭ авторы [6], не рассматривая конкретное оборудование, ущерб и т.д., утверждают, что задача ЭМС решена. Очевидно, что корректность подобных выводов вызывает определенные сомнения.
В некоторых работах по теоретической электротехнике, например [162], предлагается для оценки ЭМС использовать энергетический показатель — функцию мгновенной мощности.
При этом определяется зависимость р(1) от различных ПКЭ. Зная допустимые диапазоны изменения ПКЭ, можно определить допустимый диапазон изменения мгновенной мощности. На основании анализа полученных значений ρ делается вывод об ЭМС сетей и потребителя, исходя из требований к ПКЭ согласно ГОСТ 13109—87. Нетрудно видеть, что этот показатель не позволяет однозначно оценить ЭМС, так как фактически при этом используется подход, рассмотренный в [6].
На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы. Для оценки ЭМС электрооборудования и конкретной СЭС необходимо определять и контролировать ПКЭ в данной СЭС. Очевидно, что для каждого конкретного случая СЭС, в которой имеется электрооборудование-источник помех, сеть и электрооборудование, подверженное отрицательному воздействию этих помех, можно определить конкретный ущерб от нарушения КЭ. При этом легко определить вид и ущерб, который характеризует нарушение ЭМС в данном конкретном случае. Значения ПКЭ в момент указанного нарушения ЭМС (даже при соблюдении требований действующих стандартов) следует считать нормой ЭМС для этого вида электрооборудования в данной СЭС. Например, увеличение уровня высших гармоник, генерируемых нелинейными потребителями, приводит в определенный момент к сбою в работе компьютерной сети. Значение коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения (тока), при которой происходит сбой, является чисто техническим пределом, определяющим норму ЭМС конкретных электропотребителей.
Для оценки ЭМС на этапе проектирования СЭС или во время ее эксплуатации нагрузки следует исследовать на точной математической или физической модели той сети, к которой они будут подключены. Очевидно, что это также (как в случае решения проблемы КЭ) реализация системного подхода, при котором моделируются как электроприемники, так и электромагнитная среда |96]. При этом определяются все нежелательные последствия работы искажающего потребителя. Если уровень генерируемых электромагнитных помех удовлетворяет как чувствительное оборудование, так и персонал (который имеет право предъявить претензии к неудовлетворительному КЭ), то можно говорить об ЭМС рассматриваемого оборудования. В противном случае необходимо решать проблему ЭМС, совершенствуя все элементы СЭС.
Например, в работе 198 рассмотрена конкретная группа электробытовых приборов. При этом оговорены виды приборов, входящих в эту группу, и особенности сети, к которой они будут подключены.
Кроме того, определены допустимые уровни высших гармоник, генерируемых данными электроприборами. Проанализирована схема испытаний, включающая в себя точную физическую модель сети. В результате проведенных исследований получены результаты, на основании которых предъявляются требования к данной группе электроприемников с точки зрения их ЭМС с сетью.
Следует отметить, что электрическую сеть с нелинейными нагрузками можно рассматривать как динамическую систему. Под динамической системой, как известно, понимают процессы (объекты), поведение которых подчиняется некоторой системе интегродифференциальных и конечных уравнений в обыкновенных и частных производных. Наличие интегродифференциальных уравнений является характерным признаком динамичности процесса. В работе [21] показано, что простейшей динамической человеко-машинной системой является система, в которой человеку отведена роль наблюдателя за поведением системы с помощью простейшей системы контроля. Весь необходимый объем обработки информации, полученный системой контроля, поступает в мозг человека, который оценивает текущее состояние объекта на основе собственного опыта или должностных инструкций, принимает решение по управлению и реализует это управление с помощью имеющихся исполнительных механизмов.
Там же рассмотрена разновидность системы с элементами искусственного интеллекта, в которой одновременно с объектом функционирует в том же масштабе времени его математическая модель. Это позволяет оценивать и формировать сигналы о переменных состояния, которые в объекте не могут быть непосредственно измерены, или такое измерение по какой-либо причине нецелесообразно. По последней схеме структурной модели строится большинство существующих систем мониторинга. В случае электрических сетей с нелинейными потребителями модель должна обеспечивать непрерывную оценку несинусоидальности токов и напряжений, а также информирование о недопустимых уровнях высших гармоник в целях проведения необходимых мероприятий по их снижению.
Очевидно, что усложнение математических моделей вследствие необходимости учета нелинейности большого количества электроприемников сетей НН ограничивает возможности аналитических методов. В связи с этим возникает необходимость применения методов имитационного моделирования режимов низковольтных сетей с нелинейными потребителями. Указанные методы позволяют осуществлять численные решения поставленных задач и проводить проверку различных способов и средств обеспечения ЭМС в сопоставимых условиях.
Таким образом, проблема ЭМС является проблемой совместного функционирования различных электропотребителей в конкретной СЭС. Для прогнозирования и оценки возможных последствий роста нелинейных нагрузок, проведения работ по диагностике и анализу СЭС, а также выработки требований к нелинейным электроприемникам, параметрам сети и средствам обеспечения их ЭМС необходима разработка адекватных математических и физических моделей электрических сетей с нелинейными нагрузками.
