В статье рассматриваются принципы использования, методы и приборы для анализа и контроля качества электрической энергии, в частности для мониторинга отклонения напряжения и отклонения частоты электрической энергии. Проводится анализ отдельных результатов измерений; и сравниваются статистические характеристики с установленными нормативными значениями, и осуществляется сравнение различных приборов для анализа параметров качества электрической энергии.
Ключевые слова: параметры качества электрической энергии, отклонение напряжения, отклонение частоты
Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется через качество работы электроприёмников. При неудовлетворительном качестве электроэнергии наблюдаться спад КПД электроприборов и соответственно ухудшаться энергоэффективность. Термин «качество электрической энергии» подразумевает соответствие электрической энергии нормам производства, передачи, распределения электрической энергии.
Согласно [1] нормируется 11 показателей качества электроэнергии: импульсное напряжение, установившееся отклонение напряжения, размах изменения напряжения, коэффициент временного перенапряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, глубина и длительность провала напряжения, отклонение частоты и доза фликера. Наиболее часто встречающимися нарушениями качества энергии являются отклонение частоты и отклонение напряжения.
Отклонение напряжения представляет собой разность между номинальным значением напряжения для данной сети и фактическим значением напряжения в выбранный интервал времени. Если напряжение длительное время выходит из номинального значения, то это приводит к сокращению рабочего ресурса электрических машин и источников электрической энергии. Понижение напряжения более пагубно влияет на потребителей из-за сильного роста токопотребления. При повышении токопотребления техника и электроника выходят из строя [2,3].
Отклонение частоты — это усредненная разность, между номинальным значением и её фактическим значением за 10 минут. Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы согласно [1] допускается не более чем 0,1 Гц . Кратковременные отклонения могут достигать 0,2 Гц. Изменение частоты в малых пределах оказывает колоссальное влияние на работу электропотребителей, а так же на работу электроэнергетических сетей. Снижение частоты ниже номинального значения приводит к увеличению потерь мощности в электроэнергетических сетях и к снижению напряжения в электроэнергетических сетях. Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напряжения в электросетях и к недовыработке продукции. Изменение частоты существенно снижает качество работы приборов и аппаратов, применяемых в радиотехнике и микропроцессорной технике.
Рис. 1. Временные зависимости отклонения напряжения
Увеличение установленной мощности электроприёмников с нелинейным и несимметричным характером нагрузки, появление новых электротехнических установок сделали искажённые режимы характерной и неотъемлемой чертой работы современной системы электроснабжения. При этом нарушение возможно как со стороны энергоснабжающей организации, так и по вине потребителей.
Для учёта параметров качества электроэнергии используются результаты измерений величины тока, углов фазовых сдвигов, напряжения в течение продолжительного времени, статистической обработки отдельных результатов измерений и сравнении полученных статистических характеристик с установленными нормативными значениями. Поэтому, для того, чтобы определить возможность использования того или иного прибора для контроля параметров качества электрической энергии, необходимо воспользоваться классификацией приборов по числу измеряемых электроэнергетических величин. Приборы классифицируются на измеряющие параметры одной электроэнергетической величины и измеряющие параметры двух и более основных электроэнергетических величин (напряжения, активной мощности, реактивной мощности, полной мощности, силы тока). При проведении краткосрочных и постоянных испытаний предъявляются разные требования к конструкции приборов. Классификация рассматриваемых приборов по конструктивному признаку предусматривает их деление на приборы переносные (мобильные) и приборы стационарные [4].
На базе лабораторного стенда ЭВ-4 была собрана экспериментальная установка, позволяющая оценивать точность измерения параметров тока, напряжения и углов фазовых сдвигов.
Рис. 2. Фотография экспериментальной установки для сравнения приборов мониторинга отклонения и частоты. 1 — источник энергии; 2 — испытуемый прибор; 3 — цифровой вольтметр; 4 — цифровой амперметр; 5 — комплект К-540; 6 — активное сопротивление нагрузки; 7 — индуктивное сопротивление нагрузки
Данная экспериментальная установка работает по следующему принципу: напряжение подаётся источником энергии, далее оно поступает на испытуемый прибор, затем происходит измерение напряжения цифровым вольтметром, следом измеряется ток цифровым амперметром, после величина тока, напряжен, и угол сдвига фаз измеряется комплектом К-540. Также имеются регулировки активного сопротивления и индуктивного сопротивления нагрузки. За основной прибор, по которому устанавливалось напряжение, был взят измерительный комплект К-540, так как по паспортным данным он имел наилучшие характеристики точности.
Рис. 3. Электрическая схема установки для сравнения приборов мониторинга отклонения и частоты. 1 — источник энергии; 2 — испытуемый прибор; 3 — цифровой вольтметр; 4 — цифровой амперметр; 5 — комплект К-540; 6 — активное сопротивление нагрузки; 7 — индуктивное сопротивление нагрузки
На экспериментальной установке было произведено сравнение приборов Овен ИМС-Ф1, VOLTCRAFT ENERGY MONITOR 3000, Вольтметр B-7. При измерение напряжения средняя погрешность прибора Овен ИМС-Ф1 составила 3,9 %,прибора VOLTCRAFT ENERGY MONITOR 3000 0,29 %, прибора Вольтметр B-7 0,24 %. При измерение силы тока средняя погрешность прибора Овен ИМС-Ф1 составила 11,89 %,прибора VOLTCRAFT ENERGY MONITOR 3000 1,09 %, прибора Вольтметр B-7 1,81 %. При измерение cos ϕ средняя погрешность прибора Овен ИМС-Ф1 составила 1,4 %,прибора VOLTCRAFT ENERGY MONITOR 3000 1,4 %. Так же данный экспериментальный стенд позволяет оценить точность других приборов.
Для обеспечения изменения параметров качества электрической энергии в широких пределах на базе стенда была собрана и испытана электрическая установка, включающая последовательно соединенные двигатель постоянного тока, синхронный генератор и асинхронный двигатель.
Рис. 4. Электрическая схема для моделирования параметров качества электрической энергии. 1- источник постоянного напряжения; 2 — двигатель постоянного тока; 3 — синхронный генератор; 4 — трансформаторы; 5 — комплект К-540; 6 — выходные провода 3-х фазного источника
Данная установка позволяет моделировать замкнутую энергетическую систему. А так же даёт возможность моделировать влияние электроприёмников на качество электрической энергии.
В данной работе были сравнены приборы: К-540, ИМC-Ф1, VOLTCRAFT ENERGY MONITOR 3000, Вольтметр B-7 на основе тестовых испытаний при измерении электрических параметров и параметров качества электрической энергии. Все исследуемые приборы могут применяться для оценки качества электрической энергии, при проведении исследовательских работ и в учебном процессе. На базе стенда ЭВ-4 была собрана и испытана установка, позволяющая моделировать параметры качества электрической энергии в широких пределах.
Литература:
- ГОСТ Р. 54149–2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — Введ. 21.12.2010; М.: Изд-во Стандартинформ, 2012, 20с.
- Волгин М. Е. Надежность и качество электрической энергии в системах электроснабжения: учебное пособие для студентов электротехнических специальностей. — Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. — 81 с.
- Вольдек А. И. Электрические машины. М: Энергия, 1974. 840 с.
- Гатуллин, А. М. Основные принципы по — строения системы контроля, анализа и управления качеством электроэнергии [Текст] / А. М. Гатуллин, М. Н. Бадретдинов, В. Л. Матухин, Д. Ф. Губаев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. — 2007.–№ 11–12.–С.42–49.
