Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

Курс – «Показатели и контроль качества электроэнергии»
1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
«ПОКАЗАТЕЛИ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»
1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
«ПОКАЗАТЕЛИ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»
Цель лекции
Познакомиться с назначением и содержанием дисциплины
«Показатели и контроль качества электроэнергии».
Задачи лекции
 Получить представление о месте дисциплины в структуре образовательной программы.
 Получить представление об актуальности проблемы качества электроэнергии.
 Получить представление о цели и задачах дисциплины.
 Получить представление об основных нормативных документах и базовых понятиях в области качества электроэнергии.
1.1.1. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина «Показатели и контроль качества электроэнергии» относится к обязательным дисциплинам базовой части учебного плана подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электроснабжение».
Для освоения этого курса нужны сведения, получаемые при изучении таких предметов, как физика, высшая математика, информатика, введение в профессию, современные энергетические системы и электронные преобразователи (рис. 1).

Рис. 1. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Знания, умения и навыки, приобретаемые при изучении предмета
«Показатели и контроль качества электрической энергии», будут полезны как в профессиональной деятельности и быту, так и при освоении ряда дисциплин специализации. Например, «Приемники и потребители электрической энергии систем электроснабжения», «Электроэнергетические системы и сети», «Передача и распределение электрической энергии»,
«Электроснабжение» (рис. 1).
1.1.2. Актуальность проблемы качества электроэнергии
Совершенствование и рентабельность способов производства и преобразования электрической энергии в другие ее формы – механическую, химическую или тепловую привели к тому, что без электричества сегодня нельзя обойтись. Практически все технологические процессы требуют постоянного электроснабжения. Кроме того, добыча и производство прочих энергоносителей, например, нефти, газа или пара, также осуществляется с использованием электроэнергии (рис. 2).
Себестоимость электроэнергии в целом невелика и ее доля в конечной цене продукта незначительна. Однако перерывы в подаче электричества приводят к огромным убыткам. Отсюда следует главное требование к системе электроснабжения – надежность (рис. 2).
Показатели и контроль качества электроэнергии
Физика
Высшая математика
Информатика
Введение в профессию
Современные энергетически е системы и электронные преобразова- тели
Приемники и потребители электрической энергии систем электроснабжен ия
Электро- энергетич еские системы и сети
Передача и распределе ние электричес кой энергии
Электроснаб жение

Рис. 2. Обоснование актуальности курса
На надежность электроснабжения существенное влияние оказывают электромагнитные помехи, воздействующие на электроэнергетическую систему. От уровня электромагнитных помех зависит качество электроэнергии в сети. Таким образом, надежность электроснабжения взаимосвязана с качеством электроэнергии.
Электромагнитные помехи в зависимости от их характера, уровня и продолжительности негативно влияют на работу электрооборудования. При этом сами электроприемники могут также быть источниками электромагнитных помех и оказывать существенное неблагоприятное воздействие на сеть. Рассмотренные обстоятельства поднимают проблему обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования и электрических сетей.
Решение проблемы электромагнитной совместимости связано с необходимостью ограничения уровня электромагнитных помех путем нормирования показателей качества электроэнергии, а также осуществления контроля качества электрической энергии в системе электроснабжения.
Разработка нового электротехнического оборудования, эксплуатация действующих установок, а также процесс поддержания их нормальных режимов работы должны осуществляться с учетом необходимости обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования и
Надежность – главное требование к системе электроснабжения
Надежность электроснабжения взаимосвязана с качеством электроэнергии в сети
Сегодня практически ни один технологический процесс не обходится без использования электроэнергии

систем электроснабжения.
Другими словами, при решении профессиональных задач в области электроэнергетики и электротехники необходимо учитывать факторы, имеющие отношение к проблеме обеспечения качества электроэнергии.
1.1.3. Цель и задачи дисциплины
Из вышесказанного следует цель дисциплины «Показатели и контроль качества электрической энергии» – получить теоретические и практические знания по вопросам нормирования, анализа и обеспечения качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
Достижению указанной цели способствует решение следующих задач:
1. Знакомство с нормативно-правовой базой по качеству электроэнергии.
2. Изучение основных показателей и методов контроля качества электроэнергии.
3. Освоение методов анализа качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения.
4. Формирование представления об основных методах нормализации качества электроэнергии.
1.1.4. Основные нормативные документы в области качества
электроэнергии
Электроэнергия, как известно, может рассматриваться как физическое явление. Это способность электромагнитного поля совершать работу под действием приложенного напряжения в технологическом процессе ее производства, передачи, распределения и потребления.
В то же время в современной, подвергшейся реформированию энергетике, т.е. в период после 2008 года, электроэнергия рассматривается еще и как товар. Этот товар – особый. Специфика состоит в том, что:
− производство, транспортировка и потребление электроэнергии совпадают во времени;
− исключена возможность хранения и возврата некачественной электроэнергии;

− на качество электроэнергии влияют процессы ее потребления.
Тем не менее, как и любому продукту, электроэнергии нужен определенный набор показателей, характеризующих его качество. Это требуется для оценки потребительских свойств и дифференцирования стоимости электроэнергии в процессе осуществления товарно-денежных отношений между субъектами рынка, т.е. между генерирующими компаниями, федеральными сетевыми компаниями, сетевыми операторами, энергосбытовыми компаниями и потребителями.
Качеству электроэнергии придается огромное значение не случайно.
Дело в том, что при отклонении технических характеристик электричества от регламентируемых значений:
− увеличиваются потери активной и реактивной энергии;
− сокращается срок службы оборудования;
− увеличиваются капитальные вложения в систему электроснабжения;
− нарушается нормальная работа приемников и потребителей;
− причиняется вред окружающей среде и здоровью человека.
Поэтому обеспечение предприятий промышленности и транспорта, различных учреждений и непосредственно населения качественной электрической энергией было и остается сложнейшей научно-технической проблемой.
Растущие потребности экономики и увеличение потребления электричества требуют государственного регулирования в области обеспечения необходимого и экономически целесообразного качества электрической энергии. Поэтому эта сфера деятельности стандартизована.
Одним из первых в мировой практике нормативных документов, установивших комплекс показателей качества электрической энергии по напряжению и частоте, был ГОСТ 13109-67 «Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения» (рис. 3а). Он начал действовать
1.01.1970.

В это время уровень развития энергетики в нашей стране был весьма высоким.
Для генерирования электроэнергии были разработаны и апробированы на отдельных электростанциях энергоблоки мощностью до 500 МВт.
Для транспортировки электричества построены сети на напряжение классом в 750 кВ.
Большинство действующих электростанций были объединены в единую энергетическую систему.
По мере прогресса энергетики в стандарт по качеству вносились коррективы с учетом международной практики. Таким образом, трижды редактируемый в 1979, 1989 и 1999 годах ГОСТ 13109 действовал довольно долго. Проектирование новых и реконструкция созданных ранее объектов электроэнергетики осуществлялись в соответствии с основными положениями этого документа (рис. 3б). а) б)
Рис. 3. Первый нормативный документ в области качества электроэнергии
Становление рыночных отношений и создание в 90-х годах системы сертификации продукции потребовало проведения большого количества испытаний и проверок свойств электрической энергии на крупных промышленных предприятиях и в сфере энергетики. Это привлекло пристальное внимание энергетиков к данной проблеме и послужило

катализатором для развития системы контроля качества электроэнергии в нашей стране.
Перемены, связанные с формированием системы контроля качества электроэнергии в России, были приняты во внимание в ГОСТ Р54149-2010
«Электрическая энергия.
Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (рис. 4а), который начал действовать с 1.01.2013. Вместе с ним были введены нормативные документы, регламентирующие методы измерения отдельных показателей электрической энергии и требования к средствам измерения, отвечающие этим методам.
Таким образом, структура ГОСТ Р54149-2010 и других сопутствующих стандартов стала аналогичной нормативным документам по качеству, действующим за рубежом. Кроме того, были максимально сближены основные нормативные положения с требованиями международных стандартов. В частности, с европейским стандартом ЕН 50160:2010
«Характеристики напряжения электричества, поставляемого общественными распределительными сетями». а)
б)
Рис. 4. ГОСТ Р54149-2010 (а) и ГОСТ 32144-2013 (б), характеризующие совершенствование нормативной базы в области качества электроэнергии

В настоящее время основным документом по качеству электроэнергии является межгосударственный стандарт.
Это
ГОСТ
32144-2013
«Электрическая энергия.
Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (рис. 4б). Дата введения – 01.07.2014.
Он заменил ГОСТ Р 54149-2010 и действует, кроме России, еще в Беларуси,
Киргизии, Армении, Таджикистане и Узбекистане.
1.1.5. Основные понятия и определения
Термин «качество электрической энергии» будем сокращенно обозначать – КЭ, электрическую энергию – ЭЭ, систему электроснабжения –
СЭС, показатель или показатели качества электроэнергии – ПКЭ.
По ГОСТ 32144-2013 качество электрической энергии– это степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей.
Таким образом, качество электроэнергии можно оценить с помощью регламентированных показателей качества электроэнергии. Кратко – ПКЭ.
Они численно характеризуют уровни электромагнитных помех, имеющих место в системе электроснабжения (СЭС) по частоте, действующему значению напряжения, форме кривой напряжения, симметрии и импульсам напряжения.
Норма качества ЭЭ представляет собой установленное предельное значение показателя качества ЭЭ.
Контроль качества ЭЭ – это проверка соответствия показателей качества ЭЭ установленным нормам качества.
В международной практике показатели качества электроэнергии (ПКЭ) оцениваются с позиций электромагнитной совместимости технических средств. Под электромагнитной совместимостью понимается способность электрооборудования, аппаратов и приборов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не подвергаясь воздействию электромагнитных помех и не внося таковых в эту среду.

Другими словами, КЭ является составляющей электромагнитной совместимости (сокращенно ЭМС), которая, в свою очередь, характеризует электромагнитную среду.
При обеспечении электромагнитной совместимости электрооборудование, электрические аппараты и приборы способны нормально функционировать в электромагнитной среде, не генерируя недопустимых электромагнитных помех для другого оборудования, функционирующего в той же среде.
В настоящее время в международной и отечественной практике действует трехсторонний подход по обеспечению ЭМС электрической сети и технических средств, подключенных к ней. Этот подход, обеспечивающий управление КЭ, заключается в том, что устанавливаются:
1) допустимый уровень эмиссии электромагнитных помех (ЭМП), создаваемых техническими средствами;
2) допустимый уровень устойчивости технических средств к ЭМП, поступающих со стороны систем электроснабжения;
3) допустимый уровень ЭМП в системе электроснабжения (нормы качества электроэнергии).
ЭМС зависит от взаимодействия технических средств с электромагнитной средой и от взаимодействия этих технических средств между собой.
Электромагнитная среда формируется как результат определенного технологического процесса. В электроэнергетике – это производство, передача и потребление электрической энергии. На каждом этапе возможны определенные изменения из-за отклонений от заданных режимов, принципов действия электрооборудования, климатических факторов, действий обслуживающего персонала, действий защиты и автоматики и т.д. Эти отклонения – причина ЭМП. Например, при изменении скорости вращения генераторов меняется частота генерируемого напряжения; изменения нагрузки или величины передаваемой мощности приводят к изменению

напряжения; в результате попадания молнии в линию электропередачи по сети распространяется импульс тока и т.п. Поэтому электромагнитная
среда – это электроэнергетическая система (ЭЭС), в которой создаются, распространяются и воздействуют на приемники ЭМП, которые сами также являются источниками ЭМП.
ЭМС – это способность электротехнических средств и элементов нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны.
Если отдельные элементы электротехнического средства не обладают требуемой помехоустойчивостью к внутренним (между элементами) или внешним помехам (по отношению к данному устройству), т.е. если ЭМС не обеспечена, то это вызывает функциональные нарушения в работе прибора
(сокращение срока службы, отказы, срабатывание защиты), может привести к аварии, ухудшению электромагнитной обстановки или поражению электрическим током персонала и др.
К электромагнитным помехам относятся любые электромагнитные явления, которые могут ухудшить качество функционирования технических средств.
Электромагнитная помеха – это случайное электромагнитное явление или процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. ЭМП может вызвать в электротехническом устройстве нарушение функционирования, отказ или разрушение. Примером ЭМП является импульс тока, напряжения или электромагнитного поля (рис. 5).