Содержание страницы
Качество электроэнергии играет ключевую роль в надежности функционирования электрических установок, долговечности оборудования и устойчивости всей энергосистемы. В современных условиях возрастающей электрификации и автоматизации промышленных процессов, бытовых и информационных систем требования к стабильности параметров электрического тока становятся всё более жёсткими. Отклонения от нормативных значений могут вызывать сбои в работе оборудования, ускоренный износ техники и значительные энергетические потери. Данная статья рассматривает основные физико-технические параметры, характеризующие качество электроэнергии, а также их допустимые пределы, причины нарушений и способы компенсации.
Первые стандарты на качество электроэнергии начали формироваться ещё в первой половине XX века, когда электрические сети начали широко использоваться не только для освещения, но и для питания сложного промышленного оборудования. С развитием энергетики и повышением чувствительности потребителей к качеству питания появились требования к синусоидальности тока, симметрии фаз и точности частоты. В СССР контроль качества регламентировался ГОСТами, важнейший из которых — ГОСТ 13109-87, — определил конкретные численные показатели, допустимые отклонения и методы оценки. В мировой практике аналогичные нормы появились в рамках стандартов IEC и IEEE, что позволило унифицировать подходы и внедрить универсальные методы контроля.
Качество подаваемой электроэнергии в системах трехфазного переменного тока определяется рядом факторов, включая нестабильность амплитуды и частоты, отклонения от синусоидальной формы, перекос напряжений и смещение нейтральной точки. Нарушения установленных параметров питающей сети, как указано в табл. 1, оказывают воздействие на эффективность технологических процессов, на характеристики готовой продукции и на производственные показатели в целом.
Таблица 1 — Номинальные напряжения в электрических системах
| Номинальные значения напряжения для ЭП и сетей, кВ | Типовые фазные напряжения, кВ | ||
| генераторное | трансформаторное | ||
| Обмотки ввода | Выводные обмотки | ||
| 0,22 | 0,23 | 0,22 | 0,23 |
| 0,38 | 0,4 | 0,38 | 0,4 |
| 0,66 | 0,69 | 0,66 | 0,69 |
| (3)* | (3,15)* | (3)* | (3,15)* |
| 6 | 6,3 | 6 и 6,3 | 6,3 и 6,6 |
| 10 | 10,5 | 10 и 10,5 | 10,5 и 11,0 |
| 20 | 21 | 20 и 21 | 22 |
| 35* | – | 35* | 38,5* |
| 110 | – | 110 | 115 и 121 |
| (150)* | – | (150)* | (158)* |
| 220 | – | 220 | 230 и 240 |
| 330 | – | 330 | 347 |
| 500 | – | 500 | – |
| 750 | – | 750 | – |
*Величины, не стандартизированные, но применяемые на практике.
1. Отклонение напряжения
Под термином «отклонение напряжения» подразумеваются стремительные (не менее 1 % за секунду) изменения уровня напряжения в системе. Такое явление наиболее характерно для электроприемников, чья нагрузка меняется резкими скачками: дуговые печи, сварочное оборудование, двигатели для прокатки, а также агрегаты с синхронными электродвигателями. Допустимое изменение напряжения не должно превышать интервал от –5 до +10 % от номинала. Электроприборы, особенно осветительные устройства, критичны к подобным колебаниям: допустимая нестабильность составляет ±5 % для бытовых и уличных сетей, и ±2,5 % — для освещения производственных помещений. В аварийных условиях допускается временное (до 24 часов) снижение до 5 % ниже нормы.
Изменение напряжения (±ΔU) в сравнении с расчетной величиной может ухудшать эксплуатационные характеристики оборудования, ускорять его износ и определяется по разности между текущим (U) и нормативным (UN) значениями напряжения:
Если известно значение отклонения в начале линии (ΔU1t) и величина падения напряжения по линии (ΔUt), то напряжение на выходе линии (ΔU2t) рассчитывается, В:
Причины отклонений зачастую кроются как во внутренней работе собственных ЭП предприятия, так и в изменениях нагрузки в общей энергосети, к которой подключены и другие потребители. Эти флуктуации могут быть следствием переключений в сети, изменениями нагрузки или непредвиденных сбоев.
Для стабилизации напряжения применяются трансформаторы и автотрансформаторы (АТ), которые оснащены устройствами автоматического регулирования в рабочем режиме. Они монтируются как на главных понижающих подстанциях (ГПП), так и на станциях глубинного ввода (ПГВ). Размещение ПГВ вблизи центров нагрузки обеспечивает более равномерное распределение напряжения и устраняет часть проблем регулирования. Однако, если потребители характеризуются различной удаленностью от подстанций или индивидуальной чувствительностью, необходима установка дополнительных систем – групповых или локальных.
Одним из эффективных решений служат вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ), обладающие изменяемым коэффициентом трансформации. Их вторичная обмотка включается последовательно с обмоткой вторичной цепи основного трансформатора (рис. 2) для коррекции напряжения на нагрузке. Питание первичной обмотки ВДТ осуществляется через регулируемый АТ, соединенный с низковольтной обмоткой главного трансформатора.
Рисунок 2 – Принципиальная схема включения ВДТ: 1 – основной трансформатор; 2 – вольтодобавочный трансформатор; 3 – автотрансформатор
Отдельный тип ВДТ – фазорегулирующие трансформаторы, которые могут смещать фазу сетевого напряжения без изменения его амплитуды. Для их функционирования обмотки АТ каждой из фаз подсоединяются к линейному напряжению между другими фазами. Это позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повысить cosφ, что снижает энергетические потери в сети.
Когда иные методы регулировки напряжения оказываются неэффективны или не оправданы с экономической точки зрения, используют цеховые трансформаторы с регулированием в процессе нагрузки. Их внедрение целесообразно в условиях динамично изменяющихся нагрузок и высокой чувствительности оборудования.
2. Колебания напряжения
Под термином «колебания напряжения» принято понимать кратковременные изменения напряжения, отклоняющиеся от номинального уровня со скоростью не менее 1% в секунду. Допустимое отклонение напряжения на клеммах электроприемника (ΔUt), превышающее норму, зависит от частоты возникновения таких колебаний и выражается в процентах:
где n — число повторений колебаний в течение одного часа;
Δt — усреднённый временной интервал между колебаниями в течение часа, мин.
Для случаев, когда изменение напряжения происходит с минимальной скоростью 1% в секунду и более, вычисление величины колебаний можно упростить. При этом используют выражение:
где ΔUt — амплитуда изменения напряжения, В; Umax — пик возможного значения, В; Umin — минимальное фиксированное значение напряжения, В.
Самые выраженные колебания напряжения возникают в момент подключения мощных вентильных преобразовательных устройств, отличающихся значительной потребностью в реактивной мощности. В частности, при прямом пуске крупных синхронных двигателей (СД) могут наблюдаться броски тока, кратные 2,8 от номинального значения, что непосредственно вызывает сильные отклонения напряжения. Ярким примером являются дуговые сталеплавильные электропечи (ДСП), где в фазе плавления металлической шихты и начале окислительного процесса нередко возникают эксплуатационные короткие замыкания. Кроме того, сварочные установки, функционирующие в прерывистом режиме с частыми включениями и колебаниями нагрузки, также способствуют существенным флуктуациям напряжения внутри цеховых сетей.
Влияние внезапных изменений нагрузки, возникающих при работе электродвигателей в условиях переменной нагрузки, на колебания напряжения можно приближенно оценить с помощью:
где ΔP — прирост активной мощности в ваттах; ΔQ — прирост реактивной мощности в варах; SK — мощность короткого замыкания в расчетной точке питающей сети, В·А.
Если активным сопротивлением питающей сети можно пренебречь (в большинстве промышленных сетей его доля составляет менее 10% от индуктивной составляющей), допускается более упрощённый расчет:
Для грубой оценки колебаний при эксплуатации ДСП удобно использовать специальную формулу:
где ST — номинальная полная мощность трансформатора, подключённого к электропечи, В·А. При наличии нескольких печей величина колебаний возрастает пропорционально их числу. На основании этого можно сделать практический вывод: устойчивость напряжения напрямую зависит от мощности КЗ — чем она выше, тем ниже величина отклонений.
С целью ослабления воздействия оборудования с динамичной нагрузкой — таких как мощные электропечи и иные энергоемкие агрегаты — на питающую сеть, применяются различные технические и организационные меры:
- выбор адекватных схем электроснабжения и оптимальных способов пуска мощных электродвигателей;
- повышение уровней напряжения в распределительных и питающих сетях;
- минимизация расстояния между мощными потребителями и источником питания;
- организация индивидуального подключения ЭП напрямую к ГПП или ТЭЦ с обходом промежуточных распределительных устройств.
В рамках проектирования систем ПП эффективным считается раздельное электропитание потребителей с различным режимом нагрузки:
- при наличии значительных по мощности потребителей с ударными нагрузками, их питание организуют от специализированных трансформаторов с резервированием общим трансформатором на случай аварии;
- отдельное подключение «ударных» и «спокойных» нагрузок осуществляется через различные ветви распределительных устройств (РУ), либо через выделенные трансформаторы;
- на главных понижающих подстанциях (ГПП) и пунктах группового ввода (ПГВ) используют трансформаторы с расщеплением вторичных обмоток (Кр ≥ 3,5), что позволяет разделить нагрузку: одна ветвь — для потребителей с высокоимпульсными нагрузками, вторая — для стабильных потребителей, включая систему освещения.
В случае, если указанные меры оказываются недостаточными, предусматриваются специальные технические средства для ограничения колебаний. Среди наиболее действенных и практичных решений — применение синхронных компенсаторов, систем продольной компенсации, управляемых синхронных двигателей и иных устройств, работающих в режиме адаптивного слежения за величиной реактивного тока потребителей.
3. Несинусоидальность формы кривой напряжения
Форма кривой напряжения, отличная от синусоиды, называется несинусоидальной. Параметр несинусоидальности (К) рассчитывается следующим образом:
где UN — эффективное значение номинального напряжения, В; ν — номер гармонической составляющей, ν = 1 соответствует основной рабочей гармонике.
Согласно требованиям, уровень искажений напряжения считается допустимым, если K не превышает 5 % в устойчивом режиме.
В случае устойчиво выраженной несинусоидальности, действующее значение напряжения снижается, что можно вычислить по формуле:
где 
и 
— векторные операторы, отображающие фазовые множители; UN — линейное напряжение, В.
При аналитическом рассмотрении степени искажений, как правило, учитываются гармоники с ν от 3 до 13. Однако, вопреки традиционному подходу, исследования свидетельствуют о том, что гармоники, превышающие 13-ю, также могут оказывать значимое влияние на общую несинусоидальность и не должны игнорироваться при расчетах коэффициента К. Дополнительно установлено, что повышение мощности КЗ питающей сети благоприятно сказывается на снижении искажения кривой, особенно при использовании конденсаторных батарей, включающих емкостные элементы.
Для подавления высших гармоник в цепях с вентильными преобразователями широко применяются многофазные схемы выпрямления. Эффективным способом борьбы с гармониками считается применение согласованных силовых фильтров, в состав которых входят последовательно включенные индуктивные катушки (L) и конденсаторные группы (С). Каждый такой фильтр настраивается на конкретную гармонику или на несколько сразу. Настройка производится с учётом частоты гармоники (ν), обеспечивая выполнение условия, при котором сопротивление реактора на данной частоте (ωб) удовлетворяет следующему критерию:
4. Смещение нейтрали трехфазной сети
Под термином «смещение нейтрали» в трехфазных системах понимается абсолютное значение напряжения нулевой последовательности с основной частотой. Такое явление является следствием возникновения перекоса фаз, то есть неодинакового распределения нагрузок между фазами электрической сети. Подобные отклонения влияют на параметры фазных напряжений и особенно заметны в случае, если нагрузка подключена асимметрично.
Чтобы корректно подавать фазные напряжения к каждому электроприемнику (ЭП) при несимметричной нагрузке, требуется наличие нейтральной точки. Она представляет собой узел, в котором соединяются обмотки электрических машин (ЭМ), если они собраны по схеме «звезда». При использовании соединения «треугольник» нейтраль можно создать посредством схемы «скользящего треугольника», обеспечивающей искусственную точку для баланса напряжений.
где 
– векторная сумма фазных напряжений A, B и C, выраженная в вольтах.
Рисунок 3 – Графическое представление напряжений при смещении нейтрали
Когда одна из фаз перегружена, напряжение в ней понижается и может достигать диапазона 195–205 В, в то время как в менее нагруженной фазе фиксируется рост напряжения до 245 В и выше (см. рис. 3). Такое смещение сопровождается протеканием тока по нейтрали, по амплитуде сопоставимого с током самой нагруженной фазы. Это провоцирует дополнительные потери энергии в проводящих системах — кабельных линиях, воздушных ЛЭП, трансформаторных узлах и даже в питающих магистралях высокого напряжения.
Особенно опасно повышение напряжения для электрических потребителей промышленного и бытового назначения. Например, асинхронные двигатели при увеличении напряжения на 2 % испытывают рост температуры обмоток, что ускоряет старение изоляционных материалов. Рост напряжения в пределах 4–6 % ведет к увеличению энергетических потерь почти в два раза. У аналогичных условий страдают и лампы: у ламп накаливания и люминесцентных источников освещения при 5 % превышении номинального напряжения срок службы нити накаливания сокращается почти на 50 %.
Для устранения эффекта смещения нейтрали и уменьшения его последствий применяют специальные симметрирующие автотрансформаторы (АТ), которые монтируют перед распределительными подстанциями. Эти устройства реагируют на увеличение тока в перегруженной фазе, повышая напряжение на своей последовательно включенной обмотке, тем самым компенсируя провал напряжения за счет обратного регулирования. Чем ближе к подстанции установлен АТ, тем выше его эффективность: достигается более симметричное напряжение на выходе, снижаются энергетические потери, а также подавляются высокочастотные токовые искажения, возникающие от работы сварочного и импульсного оборудования, таких как инверторы, газоразрядные лампы и выпрямители.
Сильные искажения формы напряжения, вызванные асимметрией и гармониками, становятся причиной дополнительных тепловых и электрических нагрузок во всех подключенных ЭП. Учитывая, что такая нагрузка может превышать мощность самого источника питания (генератора или трансформатора), необходимо предпринимать меры для балансировки системы. Хотя установка симметрирующего АТ требует дополнительных затрат, возврат вложений достигается за счёт повышения надежности, экономии энергии и увеличения срока службы оборудования.
5. Несимметрия трехфазного напряжения
Под несимметрией трехфазного напряжения понимается наличие напряжения обратной последовательности на основной частоте, которое выражается либо в абсолютных значениях, либо в процентах от фазного напряжения UN. Наиболее существенные искажения симметрии возникают в сетях с мощными однофазными нагрузками — к примеру, в случае применения промышленных электропечей, сварочных аппаратов, тяговых установок электровозов, особенно если они неравномерно распределены по фазам.
Кроме того, даже при равномерном фазовом распределении, но при различном времени включения устройств, может возникать значительная несимметрия. Часто оба этих условия совмещаются, что только усиливает проблему.
В бытовых сетях, снабжающих однофазные осветительные и бытовые электроприемники, действующие стандарты (в частности ГОСТ 13109-87) накладывают ограничения на величину допустимой несимметрии. Согласно этим нормам, напряжение не должно выходить за пределы: ±5 % от номинального значения UN для бытовых ЭП, и от -2,5 % до +5 % — для осветительных устройств. Для трехфазных потребителей отклонение несимметрии ограничено пределом ±2 % от UN.
При выборе симметрирующих устройств необходимо учитывать экономические параметры, конструктивные особенности и точку размещения оборудования. На следующем изображении представлена классификация электрических сетей по их конструктивным характеристикам, которая используется при проектировании и выборе мест установки таких компенсирующих устройств.
6. Отклонения частоты напряжения
Частотные характеристики напряжения подлежат строгому контролю, поскольку они напрямую влияют на стабильность и синхронность работы всей энергосистемы. При стандартных условиях эксплуатации отклонение частоты от номинального значения 50 Гц не должно превышать ±0,1 Гц, в отдельных случаях допускается расширенный предел до ±0,2 Гц (в соответствии с ГОСТ 13109-87). Однако указанные нормативы не распространяются на случаи послеаварийного восстановления параметров частоты, когда допустимы более широкие пределы отклонений.
Рисунок 2.4 – Классификация электрических сетей по конструктивным признакам
При падении частоты в сети до 47–48 Гц автоматически активируется система частотной разгрузки (АЧР), которая отключает потребителей в порядке заранее заданного приоритета. Это позволяет избежать перегрузки всей системы и предотвратить её коллапс. АЧР обеспечивает баланс мощности и восстанавливает частотный уровень в пределах нормы.
7. Ограничение уровня высших гармоник
Возникновение высокочастотных гармонических составляющих в сетях обусловлено воздействием нелинейных нагрузок, включая электронные преобразователи, тиристорные выпрямители, частотные преобразователи и иные современные электроприборы. Такие гармоники возвращаются обратно в сеть, вызывая искажения формы напряжения, делая его несинусоидальным.
Эти искажения существенно повышают электрические потери, ускоряют старение изоляции проводников и оборудования, а также могут привести к сбоям в работе чувствительных устройств автоматизации, телемеханики, систем измерений и связи. Особенно критичной ситуация становится в сетях, оснащенных вентильными преобразователями, где уровень несинусоидальности напряжения способен достигать 20–25 %.
В случае параллельной установки конденсаторных батарей и наличии резонансных частот в пределах спектра гармоник возникает опасность резонанса, что чревато перегрузкой и выходом из строя конденсаторов, а также другими аварийными последствиями.
Обеспечение высокого качества электрической энергии и устойчивости её подачи предусматривается уже на этапе проектирования солнечных электростанций и промышленных подстанций (СЭС ПП). Предварительное техническое планирование, включая анализ гармонического спектра и расчет резонансных частот, позволяет эффективно управлять параметрами качества электроэнергии и избегать большинства сопутствующих проблем.
Заключение
Обеспечение качества электроэнергии — это не только выполнение технических норм, но и основа для надёжной, безопасной и экономически эффективной работы энергосистем. Нарушения параметров тока и напряжения негативно сказываются как на бытовых потребителях, так и на сложных технологических комплексах. Именно поэтому детальный анализ факторов, влияющих на качество ЭЭ, и внедрение систем активного регулирования становятся неотъемлемой частью проектирования и эксплуатации современных энергосетей. Рациональный контроль, своевременное техническое обслуживание и применение нормативных решений позволяют минимизировать потери, продлить срок службы оборудования и обеспечить энергетическую устойчивость.
Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.