В СССР и большинстве зарубежных стран систему ПКЭ образуют те или иные количественные характеристики медленных (отклонения) и быстрых изменений (колебания) действующего значения напряжения, его формы и симметрии в трехфазной системе, а также характеристики изменения частоты. Ниже рассматриваются только вопросы, относящиеся к КЭ по напряжению.
Отклонения напряжения V оцениваются разностью фактического и номинального значений при детерминированном процессе или разностью среднего значения (математического ожидания) и номинального при случайном характере изменения напряжения, усредненной за некоторый период времени. Время усреднения обычно принимают равным рабочей смене, одним или нескольким суткам, неделе и даже месяцу. Диапазон допустимых отклонений напряжения, регламентируемый национальными нормами, существенно различается в ряде стран. В ГОСТ 13109—67, в отличие от других нормативных документов, допустимые значения отклонений напряжения (как и остальных показателей качества электроэнергии) регламентируются с заданной интегральной вероятностью (95%), что является прогрессивным принципом.
В последние десятилетия были предложены некоторые новые показатели, характеризующие неравенство номинального и фактического напряжений. «Экономические» критерии Айере предусматривали в качестве целесообразной характеристики математическое ожидание На квадрата отклонения напряжения на зажимах электроприемника или группы их за время наблюдения Т — «неодинаковость» напряжения
и величину, «взвешенную» по энергии Нпг, потребленной электроприемником или группой электроприемников, на зажимах которых она оценивается:
Эти критерии имеют ограниченную область применения 124] для одного или группы однородных электроприемников (нагрузка в виде ламп накаливания или асинхронных электродвигателей). Действительно, в сети 380 В при осветительной и асинхронной нагрузке с постоянным моментом сопротивления на валу не полностью загруженных двигателей экономический ущерб при отклонениях напряжения
в пределах 10—15% аппроксимируется функцией вида
где а и b — постоянные коэффициенты.
Так, для сети 380 В, питающей 12 асинхронных электродвигателей мощностью по 10 кВт [26], оказывается а — 0,57 * 10~4, и = 2,5.
Критерий Айере применим при условии, когда b = 0. Однако даже в рассматриваемом случае использования этого критерия неучет смещения уровня оптимального напряжения относительно номинального обусловливает дополнительную погрешность оценки «неодинаковости» напряжения в 30—40%. Многочисленные исследования отклонений напряжения и обусловленные ими экономические ущербы показали, что практически оптимальное напряжение не является номинальным. Последнее объясняется, в основном, преобладанием технологической составляющей ущерба над электромагнитной, поскольку для технологических агрегатов номинальное напряжение сети, как правило, не отвечает оптимальному режиму работы. Следует отметить также, что при наличии у электроприемника автономной системы регулирования напряжения (дуговые вакуумные и электросталеплавильные печи, мощные вентильные преобразователи и др.) отклонения напряжения на шинах в допустимых пределах незначительно сказываются на экономических показателях участка или цеха в целом, включая и его систему электроснабжения.
Из-за отмеченных причин характеристика уровня напряжения на основе «неодинаковости» при базисном значении, равном номинальному, лишена смысла, поскольку оптимальный уровень напряжения в каждом конкретном случае определяется по результатам исследований, охватывающих также и технологический процесс, и решения оптимизационных задач. Использование критерия Айере для промышленных электросетей даже с однородной нагрузкой приводит к появлению значительного экономического ущерба.
Несимметрия трехфазной системы напряжений, как известно, характеризуется с помощью коэффициента несимметрии е2, определяемого отношением напряжения обратной последовательности основной частоты к номинальному (ГОСТ 13109—67). Допустимое значение его ограничивается на зажимах электроприемников величиной 2% с интегральной вероятностью 95%.
Показатели, характеризующие несинусоидальность напряжения и допустимые значения их во всех известных случаях, основывались либо на допустимых значениях гармоник напряжения или тока для конкретных электроприемников (батарей конденсаторов и вентильных преобразователей), либо на характеристиках нелинейных искажений кривой напряжения на зажимах электроприемников и в узлах сети.
В некоторых странах приняты, нормы Международной электротехнической комиссии (МЭК), ограничивающие допустимые значения коммутационных искажений в сетях с вентильными нагрузками. Например, для выполнения этих требований Центральное электроэнергетическое управление Великобритании установило допустимые пределы отношений установленной мощности 6-, 12- и 24-фазных преобразователей к мощности КЗ на шинах, к которым подключены преобразователи. В некоторых странах (Англия, Франция, Швеция) при проектировании установки вентильных преобразователей в распределительных сетях с батареями конденсаторов ограничивают допустимые значения гармоник сетевых токов преобразователей.
При разработке ГОСТ 13109—67 было принято во внимание, что при нормировании гармоник тока или коммутационных искажений, с целью обеспечения нормальной работы одного из элементов системы электроснабжения, не учитываются отрицательные воздействия гармоник на другие элементы распределительных сетей и основных сетей энергосистем. Такого рода нормы не являются универсальными, однако, могут быть полезны в качестве ведомственных дополнений к соответствующим пунктам единого стандарта. Поэтому характеристика несинусоидальности напряжения с помощью показателя, тем или иным образом учитывающего степень нелинейных искажений кривой напряжения, является более целесообразным решением, распространяющимся на всех потребителей. В качестве такого показателя в СССР, в странах СЭВ и некоторых других странах принят коэффициент несинусоидальности Кнс, допустимое значение которого согласно стандарту составляет 5%.
Национальными нормами некоторых стран, наряду с коэффициентом несинусоидальности, предусматривается ограничение напряжения отдельных гармоник, а также действующего значения гармоник тока, ответвляющегося в основные сети энергосистем (нормы КДЕ 0160 ФРГ и др). Это решение преследует цель, в частности, предотвратить «засорение» сетей энергосистем высшими гармониками, что, безусловно, является правильным [14].
Европейским стандартом Е№0.006 (стандарт стран общего рынка) ограничиваются значения гармоник тока, создаваемых электробытовыми приборами на зажимах эталонных схем с нормированными значениями активных и реактивных сопротивлений. Параметры эталонных схем соответствуют усредненным характеристикам сетей коммунально-бытового назначения. В этом случае, по существу ограничиваются значения гармоник тока, генерируемых каждым прибором. Такой подход требует применения средств для снижения уровней гармоник непосредственно на приборах, а не в сетях, что следует признать прогрессивным мероприятием.
К колебаниям напряжения дельта V, как известно, относят быстрые (со скоростью более 1 % в секунду) изменения действующего значения его, обусловливающие отрицательное воздействие на зрительное восприятие человека и электронную аппаратуру, а также возникновение колебательных процессов в электрических машинах и системах автоматического управления.
Различные показатели, которые характеризуют колебания напряжения как в СССР, так и за рубежом, основываются на эмпирических оценках влияния колебаний на зрение. Учет возникающих при колебаниях напряжения динамических режимов работы электрооборудования по существу не производился. Допустимые значения амплитуд (размахов) колебаний устанавливаются в зависимости частоты повторения их за некоторый промежуток времени. Соответствующие зависимости представляются в виде графиков или аппроксимирующих их аналитических выражений. Для разделения колебаний и отклонений напряжения используют два принципа: разделение по скорости изменения огибающей кривой напряжения и по частоте. Первый принцип, используемый в ГОСТ 13109—67, в ряде случаев не позволяет однозначно оценить характер изменений напряжения. Так, в случае медленных периодических изменений напряжения, процесс, носящий колебательный характер с точки зрения воздействия на зрение при скорости изменения’ напряжения менее 1 % в секунду, формально должен быть отнесен к отклонениям напряжения. Если кривая действующего значения напряжения имеет возрастающий или ниспадающий участок пилообразной формы с рядом последовательно расположенных пиков, то при оценке скорости изменения по разности напряжения между соседними экстремумами исходной кривой или огибающей могут получиться противоречивые результаты. Учет скорости изменения напряжения при оценке колебаний влечет за собой необходимость использования сложных и громоздких расчетных методов, например, применительно к сетям прокатных станов.
Разделение изменений колебания напряжения и отклонения по частоте изменения огибающей более целесообразно. Поскольку во всех случаях рассматривается реализация ограниченной продолжительности, средняя частота колебаний и частоты появления колебаний с определенной амплитудой будут отличны от нуля. Следует отметить, что эти частоты мало отличаются от соответствующих частот дискретной части амплитудного спектра огибающей.
Спектр частот, характеризующих колебания напряжения, как правило, выбирается в диапазоне 0,1—10 Гц, хотя теоретически этот диапазон может ограничиваться частотой 25 Гц. В этом случае следует учитывать все экстремумы кривой напряжения, т. е. высокочастотные и низкочастотные колебания. Исследования, выполненные в сети 6 кВ блюминга «1120», показали [24], что неучет первых или вторых составляющих колебаний приводит к погрешности оценки величин математических ожиданий и дисперсий размахов колебаний порядка 10—20%. Нормирование отношения среднеквадратического отклонения и математического ожидания
размахов, усредненное за 1 мин, принятое Британским электротехническим советом, вполне соответствует этому принципу.
В ряде европейских стран и США при оценке влияния колебаний напряжения используется кумулятивный принцип, основанный на учете накопления усталости зрения до уровня (дозы), при котором выполнение работы становится невозможным. Аналогичным образом может быть определена «доза» колебаний («доза фликера»). В качестве дозы Э за промежуток времени Т принимается
где A(f) — размах колебаний с частотой /; g(f) — весовой коэффициент, учитывающий влияние на зрение колебания с частотой / в сравнении со случаем / = 10 Гц, соответствующим наибольшему влиянию на раздражимость глаз.
В различных странах принимают Т = 10—15 мин, значения «доз» суммируют или усредняют и сравнивают с допустимыми за заданный фиксированный интервал времени. Как будет показано в дальнейшем, введение «дозы фликера» полностью отвечает особенностям биологических процессов, связанных со зрительным восприятием, и соответствует требованиям к ПКЭ, сформулированным выше. Эта «доза» может быть нормирована и для малоинерционных технологических процессов типа контактной сварки, для которых длительное воздействие колебаний напряжения вызывает появление брака. Однако понятие «доза» не распространяется на другие показатели качества электроэнергии, а также на колебания частоты вращения электродвигателей, колебания тока электролизных установок и др. Таким образом, ни один из показателей, характеризующих колебания напряжения, не отражает всю совокупность явлений, связанных с колебаниями. По существу тем или иным образом учитывается только влияние на зрение.
Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев ПКЭ нормируются на зажимах электроприемников и лишь в отдельных случаях — в узлах сети. Это правомерно применительно к отклонениям напряжения, при этом в узлах распределительных сетей и сетей энергосистем уровни напряжения определяются, главным образом, условием обеспечения требуемого уровня напряжения на зажимах электроприемников.
Однако нормирование несимметрии, колебаний и несинусоидальности напряжения только на зажимах электроприемников отвечает начальному этапу внедрения несимметричных, нелинейных и быстропеременных нагрузок, когда установленная мощность их и, следовательно, степень влияния на электроприемники, подключенные к другим узлам электрической сети, были весьма ограниченными. В настоящее время мощности и концентрация таких нагрузок в узлах энергосистем значительно возросли, и для ограничения влияния их следует нормировать допустимые значения
отмеченных показателей в узлах энергосистем. В самом деле, при подключении крупной нелинейной, несимметричной или резкопеременной нагрузки к узлу распределительной сети 6; 10 или 35 кВ значения соответствующих ПКЭ в распределительных сетях могут значительно превосходить допустимые, а на шинах высшего напряжения подстанции быть либо значительно ниже допустимых (при большой мощности короткого замыкания энергосистемы), либо превосходить их (в случае маломощной автономной энергосистемы). При подключении такой нагрузки непосредственно к основным сетям энергосистемы КЭ в ее узлах также может быть недопустимым. В последнем случае значения показателей, характеризующих несимметрию и колебания напряжения, на шинах всех потребителей распределительных сетей, питающихся от этих узлов энергосистем, могут выходить за допустимые пределы, поскольку сопротивление обобщенной нагрузки распределительной сети в 3—10 раз больше сопротивления трансформатора связи. Это положение в большинстве случаев оказывается справедливым и для показателя, характеризующего несинусоидальность напряжения, однако анализ вопроса значительно усложняется из-за нелинейности частотных характеристик входных сопротивлений энергосистем, и в ряде случаев — распределительных сетей.
Таким образом, допустимые значения показателей, характеризующих несимметрию колебания и несинусоидальность напряжения, следует нормировать не только на зажимах электроприемников, но и в узлах распределительных сетей энергосистем. Это определяет необходимость во всех случаях обеспечить нормализацию указанных ПКЭ потребителями или энергоснабжающей организацией. Кроме того это позволит четко определять ответственность за ухудшение качества электроэнергии на границе раздела сетей различной балансовой принадлежности и организовать систему контроля ПКЭ. В скорректированном варианте ГОСТ 13109—67 сделана попытка частично реализовать этот принцип.
