Под качеством электроэнергии можно понимать совокупность ее параметров (свойств), обусловливающих пригодность электроэнергии удовлетворять потребности различных приемников электроэнергии в соответствии с их назначением [3, 17]. Обеспечение качества электроэнергии на необходимом уровне является одной из важнейших задач. В связи с неразрывностью производства и потребления электроэнергии ее качество определяется не только производителем (генерирующим, трансформирующим, передающим и распределяющим оборудованием), но и потребителем электроэнергии, характеристиками приемников электроэнергии. Поэтому вследствие разнообразия характеристик приемников электроэнергии ее качество в различных частях даже одной энергосистемы может быть разное.
Более того, изменение качества электроэнергии, возникающее у рассматриваемого приемника электроэнергии из-за его особых характеристик, может отражаться на качестве электроэнергии других участков сети, к которым присоединены приемники электроэнергии, имеющие иные характеристики. Поскольку приемники электроэнергии, электрооборудование и системы электроснабжения необходимо проектировать и конструировать исходя из того, что потребители будут иметь на выводах приемников электроэнергию какого-то определенного качества, оно нормировано в ГОСТ 13109—67. Нормы ГОСТ отражают технические требования, но так как эти нормы устанавливали с учетом большого предшествующего опыта, то они в определенной мере, косвенно, учитывают условия экономичности режимов работы приемников электроэнергии. ГОСТ нормирует качество электроэнергии по следующим показателям: отклонениям частоты и напряжения, колебаниям частоты и напряжения, несинусоидальности формы кривой напряжения, несимметрии напряжения основной частоты и коэффициенту пульсации напряжения постоянного тока.
Так как качество электроэнергии на выводах ее приемников зависит и от энергосистемы и от потребителей, ГОСТ предусматривает ответственность и энергоснабжающих организаций и потребителей за соблюдение показателей качества электроэнергии. Соответственно должна быть предусмотрена граница ответственности энергосистемы и потребителей. Это определяется «Правилами пользования электрической и тепловой энергией».
По мнению некоторых специалистов на энергосистему должна быть возложена материальная ответственность за поддержание нормируемых напряжения (обеспечивающего допустимые по ГОСТ отклонения напряжения на выводах приемников электроэнергии) и частоты. Остальные показатели качества электроэнергии, если их ухудшение вызвано характеристиками приемников электроэнергии, должны поддерживать в пределах допустимых норм сами потребители. Указывается, что энергоснабжающая организация должна отпускать электроэнергию пониженного качества по пониженной ставке (со скидкой). При этом возможны три вида скидок: за отклонение частоты, за отклонение напряжения, за отклонение других показателей качества электроэнергии. Потребителям, у которых нагрузки искажают несинусоидальность формы кривой напряжения или вызывают колебания напряжения выше норм, допустимых ГОСТ, следует отпускать электроэнергию по повышенным ставкам.
Рассмотрим показатели качества электроэнергии.
Для обеспечения уровня частоты и стабилизации ее в пределах требований ГОСТ необходимо, чтобы активная мощность энергосистемы была достаточна для покрытия нагрузки и всех потерь активной мощности в передающих и распределительных сетях. В современных энергосистемах, обладающих достаточным резервом мощности, эти требования выполнимы. Дальнейшее объединение энергосистем и расширение централизации способствуют стабилизации частоты.
Необходимо усовершенствование системы автоматического регулирования частоты совместно с автоматическим распределением активной мощности между электростанциями и их агрегатами. Если же на практике наблюдаются случаи работы при частоте ниже предусмотренной ГОСТ, то это является следствием отсутствия резервов мощности (топлива) в энергосистеме. Современные средства автоматики, применяемые в энергосистемах, позволяют значительно стабилизировать частоту и в аварийных режимах.
Регулирование напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий является принципиально и технически выполнимой задачей. Поэтому требования ГОСТ по отклонению напряжения выполнимы. Однако допустимые отклонения напряжения на выводах различных приемников электроэнергии еще экономически не обоснованы. Это прежде всего относится к приемникам электроэнергии, особо чувствительным к отклонениям напряжения. В настоящее время практически только для электротермических и электролизных установок доказана необходимость индивидуального регулирования. Необходимо нормировать отклонение напряжения, кратковременно возникающее в процессе пуска короткозамкнутых синхронных электродвигателей большой мощности. Эта величина многими специалистами относится к колебаниям напряжения. Следовательно, следует также четко сформулировать ее определение.
Недостаточно точно определяет ГОСТ аварийные режимы и нормирование уровня напряжения при этом. Согласно ГОСТ в послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5%. По ГОСТ аварийный режим начинается при нарушении нормального режима работы энергосистемы, электрической сети и участков сети и продолжается до отключения поврежденного элемента. Послеаварийный режим — это режим, возникающий после отключения поврежденного элемента энергосистемы или сети и продолжающийся до восстановления нормальных условий работы, но длительностью не более суток. Из этих определений не ясно, к какому режиму отнести циклы успешных автоматических повторных включений (АПВ) или автоматических включений резерва (АВР). Из ГОСТ следует, что время от отключения до включения (цикл АПВ или АВР) относится к послеаварийному режиму. Но при этом дополнительное понижение напряжения не должно превосходить 5%, а фактически напряжение у потребителей во время цикла АПВ (или АВР), хотя и кратковременно, снимается полностью. Поскольку при успешном цикле АПВ (АВР) у потребителя через несколько секунд восстанавливается напряжение, электроснабжающая организация не считает АПВ или АВР перерывом электроснабжения. Однако для большого числа технологических процессов перерыв электроснабжения с циклом АПВ или АВР приводит к значительному их расстройству, связанному с большим ущербом, а в ряде случаев и к авариям. Следовательно, необходимо введение в ГОСТ нормативных показателей действия АПВ и АВР и соответствующей формулировки терминов. Можно также успешные АПВ и АВР считать кратковременными аварийными перерывами электроснабжения.
Необходимо также нормирование и кратковременного глубокого резкого снижения напряжения. Это вытекает из следующего. Во многих современных технологических процессах, особенно в химической промышленности, используются приводные механизмы, имеющие постоянный момент сопротивления (например, поршневые насосы с неизменным противодавлением). Синхронные электродвигатели таких механизмов, нагруженные до 0,8—0,9 номинальной мощности, при кратковременном (до 0,3—1 с) снижении напряжения до 0,6 номинального выпадают из синхронизма, и ресинхронизация их при восстановлении напряжения не происходит. Это приводит к расстройству технологического процесса, а ущерб, возникающий при этом от одного глубокого кратковременного снижения напряжения, достигает десятков тысяч рублей.
Менее разработаны вопросы, связанные с другими показателями качества электроэнергии,— колебаниями напряжения, напряжениями обратной и нулевой последовательностей, высшими гармониками напряжений и пульсациями выпрямленного напряжения.
Интерес к последним в значительной мере вызван появлением и широким распространением приемников электроэнергии с неблагоприятными для систем электроснабжения характеристиками. Современный этап развития промышленности во всех странах характеризуется расширением электрификации технологических процессов, их интенсификацией и ростом единичных мощностей агрегатов.
В производственных процессах используются мощные электрические дуги. Единичные мощности однофазных установок электросварки достигают 1,5 МВ-А. На отдельных машиностроительных предприятиях мощность электросварочных агрегатов составляет почти 50% общей нагрузки. Большое распространение получили мощные выпрямительные установки для электролиза и электрического привода. На крупных алюминиевых заводах установленная мощность выпрямительных агрегатов достигает сотен мегавольт-ампер. Единичная мощность электропривода крупных прокатных станов, создающих резкопеременные нагрузки, составляет десятки мегаватт. Указанные приемники электроэнергии существенно снижают качество электроэнергии в системах электроснабжения.
На основании результатов анализа материалов по использованию ГОСТ 13109—67 и изучению влияния качества показателей электроэнергии на работу приемников электроэнергии и технологические процессы в 1979 г. в него введены поправки.
Таблица 2.1
Гармоники тока и напряжения рассчитывают на основе линейных схем замещения сети для каждой гармоники в отдельности. Порядок гармоник тока, генерируемых различными источниками, и формулы для их определения приведены в табл. 2.1 [18, 19]; формулы для приближенного расчета сопротивлений элементов схемы замещения v-й гармоники для сетей 6 и 10 кВ — в табл. 2.2.
Качество электроэнергии определяется всем комплексом системы электроснабжения, охватывающим производство и потребление электроэнергии. Оно зависит от вида приемника электроэнергии и в свою очередь влияет на уровень потерь в сетях и в самих приемниках электроэнергии. Качество электроэнергии влияет на экономику технологического процесса, так как его снижение тоже приводит к ущербу.
Таблица 2.2
Поддержание качества электроэнергии на должном уровне связано со значительными затратами, оно может быть обеспечено различными техническими средствами, различным образом рассредоточенными в энергосистеме и системе электроснабжения потребителя. Уже на стадии проектирования приемника электроэнергии, технологических процессов и систем электроснабжения можно учитывать различные уровни качества электроэнергии. Более того, учет качества электроэнергии может стать решающим при определении энергетической основы рассматриваемого технологического процесса (например, при выборе вида железнодорожной тяги, преобразовательных установок для электродвигателей прокатных станов и др.).
Следовательно, при решении всего комплекса задач, так или иначе связанных с установлением оптимального уровня качества электроэнергии, необходим системный подход.
Качеству электроэнергии за рубежом в промышленно развитых странах уделяется большое внимание. В энергосистемах основные показатели качества электроэнергии — напряжение и частота — поддерживаются в пределах номинальных, и в условиях нормальной эксплуатации допускаются лишь незначительные отклонения [20]. В настоящее время нет международного стандарта на качество электроэнергии, но нормы или допуски на качество по отдельным параметрам существуют почти во всех странах.
Во Франции энергосистемы национализированы, там действуют единые нормы Государственного электроэнергетического управления Франции (EDF), которые охватывают большое число показателей качества электроэнергии. В Швеции действуют Шведские электротехнические нормы, которые регулируют допустимые отклонения напряжения. В США стандарта или общегосударственных норм на качество электроэнергии нет. Там действуют правила, принятые в отдельных энергосистемах. В ФРГ также нет общих норм, но по допустимым отклонениям частоты там придерживаются рекомендации Союза по координации производства и передаче электрической энергии (UCPTE) Г Следует отметить, что в ФРГ хорошо поставлены исследования вопросов регулирования частоты и мощности, разработана соответствующая аппаратура.
Обзор проектов Международной электротехнической комиссии (МЭК), материалов Европейской экономической комиссии ООН, энергосистем ФРГ, Франции, США, Швеции, отчетов UCPTE, UNIPEDE* , EDF, Центрального управления по производству электроэнергии Англии, Эдисоновского института (США) и др. за 1975—1976 гг. по 24 странам [20] дает следующую информацию о качестве электроэнергии за рубежом.
* В UCPTE входят Австрия, Бельгия, Италия, Люксембург, Нидерланды, ФРГ, Франция и Швейцария; участвуют в его деятельности Испания, Португалия, Югославия, Греция.
International Union Producers and Distributers Electrical Energy.
Напряжение. Как правило, напряжение в нормальных условиях эксплуатации поддерживается близким к нормальному. Допускаются следующие отклонения в условиях нормальной эксплуатации: в сторону повышения наибольшее (15%), в Турции, наименьшее (2%) в Швеции; в сторону понижения наибольшее (10%), наименьшее (3%) в Канаде. В восьми странах допускаются отклонения ±5%, в шести странах + 10%. В Дании и Польше отклонения напряжения допускаются только в сторону повышения. В аварийных условиях допускаются большие отклонения: в четырех странах понижение до 15%, в ГДР и Норвегии повышение до 15%. В 10 странах допускаются отклонения ±10%. В некоторых странах допустимые отклонения в сторону повышения и понижения разные, например в Англии — повышение 6%, понижение 12%; Ирландии — повышение 11,5%, понижение 13,5%, Венгрии — повышение 10%, понижение 15%. Во Франции при подключении нового абонента (в зависимости от его требований, от точки присоединения и других условий) выбирают и фиксируют в контракте определенное напряжение в пределах номинального ±5% и кинему относят допустимые нормами отклонения [20]. В отдельных районах США со слабыми электрическими сетями для поддержания уровня напряжения при колебаниях нагрузки применяют регулирование напряжения.
В 11 странах из упомянутых в [20] при возникновении в энергосистеме необходимости снижения нагрузки вместо отключения части потребителей или введения ограничений допускают снижения напряжения в сети*. Например, в США этот способ снижения нагрузки неоднократно использовали при дефиците мощности в некоторых энергосистемах, который возникал из-за малой пропускной способности межсистемных связей и неравномерного распределения резерва генерирующих мощностей. В часы максимума нагрузки для поддержания частоты понижали напряжение в сети и таким образом разгружали энергосистему. Применяли такой путь, в частности, в энергосистеме города Нью-Йорка при аварийных условиях вместо автоматической частотной разгрузки или до начала ее действия. В июле 1977 г. во время крупной аварии в Нью-Йорке при .нагрузке 6 ГВт диспетчер понизил напряжение на 8% и нагрузка системы снизилась на 280 МВт (около 4,5%). Аналогичное положение было в той же энергосистеме в сентябре того же года, и понижение напряжения на 8% позволило уменьшить нагрузку на 250 МВт [17].
*Такой способ снижения нагрузки использовался и в Румынии.
В странах Западной Европы, входящих в UCPTE, энергосистемы которых электрически связаны и работают синхронно, напряжение в сетях высокого и сверхвысокого напряжения поддерживается на уровне номинального, что фиксируется в годовых отчетах UCPTE. Во Франции EDF также фиксируют все случаи вынужденного длительного понижения напряжения. Так, в отчете упоминается, что в 1976 г. в связи с катастрофически маловодным годом и ограничениями мощности ГЭС летом в течение 3 недель напряжение в распределительных сетях снижали на 5%. Для поддержания нормального напряжения при отсутствии свободных генерирующих мощностей или синхронных компенсаторов используется включение батарей конденсаторов в центрах нагрузки. EDF наметило на период 1976—1980 гг. дополнительную установку батарей конденсаторов общей мощностью более 3 Гвар (установленная мощность электростанций Франции в 1976 г. была 52 ГВт, планируется к 1980 г. иметь около 60 ГВт). В Японии сети низкого напряжения в 1975 г. работали с пониженным напряжением: 127 В на 6% и 220 В на 10%.
Частота. В упомянутых в [20] странах постоянство частоты поддерживается более строго, чем уровень напряжения. В нормальных условиях эксплуатации допускаются следующие отклонения частоты: в сторону повышения наибольшее (1 Гц) во Франции и наименьшее (0,04—0,06 Гц) в шести странах; в сторону понижения наибольшее (1 Гц) в Дании и Франции, наименьшее (0,05 Гц) в Канаде, Польше,
Чехословакии и Финляндии. В 10 странах отклонения частоты допускаются в пределах ±(0,1—0,3 Гц).
В аварийных условиях допустимые отклонения несколько больше: в сторону повышения — от 1 Гц в Венгрии до 0,1 Гц в Финляндии и Чехословакии; в сторону понижения — от 2,5 Гц в Дании и Нидерландах до 0,1 Гц в Финляндии. В 12 странах допускаются отклонения от ±0,5 до ±1 Гц.
В энергосистемах стран, входящих в UCPTE, при отклонении от заданной («предписанной») частоты 50±0,5 Гц начинает работать система автоматического (с применением цифровых ЭВМ и аналоговых устройств) регулирования. В UCPTE создана рабочая группа, которая систематически контролирует постоянство частоты и режима напряжения и разрабатывает соответствующие рекомендации ι[20]. По рекомендации UCPTE собственные нужды необходимо спроектировать и оборудовать так, чтобы обеспечить нормальную работу электростанции при снижении напряжения до 85% номинального и при понижении частоты до 47,5 Гц. Энергоблоки ТЭС должны развивать полную мощность при понижении частоты до 48,5 Гц, а при частоте 47,5 Гц они отключаются от сети. При частоте 48,4 Гц собственные нужды автоматически переключаются на питание от резервного источника (дизельная или газотурбинная установка), который запускается заранее, при понижении частоты на 0,2 Гц. Для поддержания частоты в аварийных условиях в 15 странах применяют АЧР. В Австрии, Англии и Норвегии АЧР не применяются.
Во Франции номинальное значение частоты официально установлено 50±1 Гц (2%), однако в эксплуатации фактически отклонение частоты гораздо меньше, ±0,5 Гц (1%)· По установленным предписаниям в Англии частоту необходимо поддерживать в пределах 50±0,5 Гц (1%), но в практике эксплуатации CEGB снизило допустимое отклонение до ±0,2 Гц (0,4%)· Отклонения от этого значения бывают редко и только в отдельных районах. В ФРГ Объединение германских электростанций в соответствии с рекомендациями UCPTE при понижении частоты до 49,5 Гц предусматривает разгрузку энергосистемы с помощью АЧР.
Весьма стабильно держат частоту (60 Гц) в США. По данным опроса, проведенного Институтом инженеров электротехники и электроники в 1975 г., более 100 крупных энергосистем и объединений применяют АЧР, причем в большинстве из них (72%) первая ступень АЧР действует при понижении частоты до 59,3 Гц, т. е. как только снижение превысит 1%. Стабильность частоты в США столь высока, что на некоторых крупных электростанциях на панели ручной синхронизации
(остановлен только один частотомер, поскольку в системе всегда 60 Гц 20). Устойчиво поддерживают частоту и в энергосистемах Японии. Так, в 1975 г. частота 60 Гц поддерживалась с отклонениями ±0,2 Гц и это считалось плохим показателем.
Международная электротехническая комиссия кроме общих рекомендаций по номинальным напряжениям, стандартным частотам и т. п. разрабатывает стандарты на отдельные виды электрооборудования, электронной аппаратуры, измерительных приборов и т. д. В этих стандартах указываются также основные требования к качеству генерируемой или подводимой электроэнергии.
Таблица 2.3. Нормы качества электрической энергии (нормальный режим/аварийный режим)
** В сети 220 кВ.
* В сети 400 кВ.
* Данные только по трем энергосистемам.
**** В одной энергосистеме для всех потребителей ±5%; в одной энергосистеме ±5% для бытовых потребителей в городах и ±7,5% для остальных; в одной энергосистеме ±7,5% для потребителей в сельской местности.
5* 3—для отдельных гармоник; 4 —общее значение.
6* Суммарное значение, включая источники высших гармоник на высоком и среднем напряжениях и самого потребителя.
* Номинальная 50 Гц ±2%; практически отклонения допускаются гораздо меньше 1%.
8* Для потребителей, питаемых от сети высокого напряжения, ±7%, от сети среднего напряжения ±7%, при низком напряжении: ±5% при питании от кабельных сетей, ±7,5% — от ВЛ (пункты с населением более 2000 чел.), до ±10% — в других случаях.
9* Для источников питания нормы не установлены; есть нормы для оборудования, например асинхронные двигатели должны работать нормально при напряжении обратной последовательности до 1,5% номинального.
10* В общем виде оговаривается в контракте на снабжение электроэнергией,
11* Практика 77 энергосистем —при 59,3 Гц начинает действовать АЧР.
12*Для сетей 100—1000 В рекомендуется ±5%.
13* Для трехфазных систем напряжения 2%, для цепей грехфазного тока 5%.
Так, рекомендация № 38 устанавливает, что в сетях 100—1000 В отклонения напряжения допускаются до ±10%, но в нормальных условиях рекомендуется ±5%. Для сетей 3—45 кВ отклонения допускаются не более ±10%. Номинальные частоты установлены рекомендацией № 196. Допусков отклонения частот в ней нет. Они встречаются только в отдельных рекомендациях на оборудование, которое должно надежно работать и при
отклонениях от нормального режима. Например, для ядерного приборостроения, где требуется повышенная надежность, рекомендация № 293 определяет, что приборы должны работать в соответствии с техническими условиями при отклонениях напряжения — 12-+10% номинального и при отклонениях частоты ±1 Гц [20].
В рекомендациях № 34-1 и 34-3 указано, что электрические вращающиеся машины должны работать при практически синусоидальной форме кривой напряжения. Напряжение считается практически синусоидальным, если мгновенные значения каждой высшей гармоники отличаются от мгновенного значения амплитуды той же фазы основной частоты не более чем на 5%. Генератор должен выдавать, а электродвигатели развивать номинальную мощность при напряжении 95— 105% номинального при нормальной частоте.
Трехфазная система напряжений (применительно к электродвигателям) считается практически симметричной, если ни одна из составляющих — обратной или нулевой последовательности — не превышает 2% составляющей напряжения прямой последовательности. Трехфазная цепь считается практически симметричной, если при питании от симметричной системы напряжения система токов также симметрична, т. е. составляющая обратной или нулевой последовательности не превышает 5% тока прямой последовательности.
В табл. 2.3 приведены некоторые сводные данные о нормах и рекомендациях по качеству электроэнергии за рубежом.
