Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

3.
НЕНОРМИРУЕМЫЕ
ПОКАЗАТЕЛИ
КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
3.1.
НЕНОРМИРУЕМЫЕ
ПОКАЗАТЕЛИ
КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Цель лекции
Получить представление о ненормируемых показателях качества электроэнергии и их влиянии на сеть электроснабжения.
Задачи лекции
 Изучить, что представляют собой и как влияют на сеть электроснабжения:
− провалы напряжения;
− прерывания напряжения;
− перенапряжения;
− импульсные напряжения.
Показатели качества электроэнергии, рассматриваемые ниже, относятся к категории случайных событий, на которые стандартом нормы не установлены.
3.1.1. Провалы напряжения
Провалом напряжения считается значительное и внезапное снижение напряжения в точке сети более чем на 10 %, после которого следует восстановление напряжения до значения, близкого к первоначальному уровню (рис. 35).
Рис. 35. Провалы и прерывания напряжения
U
t, мc
t
n
< 1 мин
t
nр

U
0,05 <

U/U

0,9

U/U < 0,05

Провалы напряжения являются абсолютно случайными, но довольно распространенными событиями.
В соответствии с требованиями действующего стандарта провал
напряжения
рассматривается как
электромагнитная
помеха,
интенсивность которой определяется как остаточным напряжением u,
так и длительностью провала

t
n
.
Длительность провала

t
n
– это разность между временем восстановления напряжения и временем начала провала в секундах.
Длительность провала напряжения по ГОСТ 32144-2013 может достигать значения в 1 минуту.
В трехфазных системах электроснабжения за начало провала напряжения принимают момент, когда напряжение хотя бы в одной из фаз
падает ниже порогового значения, равного 90 % от опорного
напряжения начала провала напряжения.
За окончание провала напряжения принимают момент, когда напряжение во всех фазах возрастает выше порогового значения,
составляющего 90 % от опорного напряжения окончания провала напряжения.
Провал напряжения, как правило, связан с возникновением и окончанием короткого замыкания или иного резкого возрастания тока в системе или электроустановке, подключенной к электрической сети. Они обычно происходят из-за неисправностей в электрических сетях или в электроустановках потребителей, а также при подключении мощной нагрузки.
Провалы напряжения возникают в любой сети и характеризуют надежность электроснабжения. Первоначальной причиной провала может быть короткое замыкание из-за попадания молнии в линию электропередачи.
Это приводит к срабатыванию средств защиты и автоматики. Они также могут быть вызваны ошибками персонала или ложными срабатываниями автоматики. Длительность провала зависит от совокупности времени

срабатывания средств защиты и автоматики, благодаря действиям которых напряжение может быть восстановлено.
В общем случае провалы напряжения могут возникать в следующих случаях:

при коротких замыканиях;

в процессе включения больших нагрузок;

при запуске приводов (с большой нагрузкой);

в случае изменения нагрузки приводов;

в результате работы дуговых сталеплавильных печей;

при работе сварочных установок,

при включении конденсаторов.
Провалы напряжения могут привести к отказу компьютерных систем, ложному срабатыванию автоматики, реле и нарушению работы преобразователей частоты. В некоторых производствах всего один провал напряжения может вызвать огромные потери. Особенно критичны в этом отношении непрерывные технологические процессы. Например, при литье под давлением, при осуществлении экструзионных процессов, печати или обработке пищевых продуктов, таких как молоко или прохладительные напитки, убытки могут быть связаны не только с простоем производства, но и привести к порче сырья или повреждениям технологического оборудования.
Поэтому по провалам напряжения собирается статистическая информация, которая согласно ГОСТ 32144-2013 классифицируется в соответствии с остаточным напряжением и длительностью (рис. 36).
Провалы напряжения определяются в соответствии с ГОСТ 30804.4.30 на основе измерений среднеквадратических значений напряжения, обновляемых для каждого полупериода. Дата и время провала напряжения

фиксируются. Продолжительность измерений для оценки провалов напряжений – 1 год.
Рис. 36. Классификация по остаточному напряжению и длительности
Появление провалов не определено по месту и времени. Поэтому вероятность их появления рассматривается как прогноз, строящийся на основе измерений и расчетов. Возможное число провалов напряжения в зависимости от грозовой активности региона может достигать от единиц до сотен в год. В среднем количество провалов напряжения у потребителя составляет 30 раз в год.
В электрических сетях низкого напряжения и четырехпроводных трехфазных системах измеряются фазные напряжения. В трехпроводных трехфазных системах рассматриваются линейные напряжения. В случае однофазного подключения учитывается питающее напряжение. Это может быть фазное или линейное напряжение в соответствии с подключением потребителя.
3.1.2. Прерывания напряжения
В трехфазных системах электроснабжения к прерываниям
напряжения относят ситуацию, при которой напряжение становится
меньше 5 % опорного напряжения во всех фазах. Если напряжение
меньше 5 % опорного напряжения не во всех фазах, то ситуацию рассматривают как провал напряжения.
ГОСТ 32144-2013
Таблица А.1
Классификация провалов напряжения по остаточному напряжению и длительности
Остаточное напряжение u, % опорного напряжения
Длительность провала (прерывания) напряжения, с
0,01<

t п

0,2 0,2<

t п

0,5 0,5<

t п

1 1<

t п

5 5<

t п

20 20<

t п

60 90 > u > = 85 85 > u > = 70 70 > u > = 40 40 > u > = 10 10 > u > = 5

Прерывание
напряжения
характеризуется
остаточным
напряжением u и длительностью прерывания

t
nр
.
Пороговое значение начала прерывания является равным 5 %
опорного напряжения (рис. 35).
Прерывания напряжения делятся на случайные и создаваемые преднамеренно.
Прерывание напряжения относится к создаваемым преднамеренно, если пользователь электрической сети информируется о предстоящем отключении напряжения.
Создаваемые преднамеренно прерывания напряжения, как правило, обусловлены проведением запланированных работ в электрических сетях.
Прерывание напряжения считается случайным, если вызывается неисправностями в системе электроснабжения. Причины поломок могут быть разными. Однако чаще всего они создаются внешними воздействиями.
Прерывания, например, могут быть обусловлены отказами оборудования или влиянием электромагнитных помех.
Случайные прерывания напряжения подразделяют:

на длительные (длительность

t
nр
более 3 мин);

кратковременные (длительность

t
nр
не более 3 мин).
В общем случае ежегодная частота возникновения длительных прерываний напряжения (

t
nр

180 с = 3 мин) в значительной степени зависит от особенностей системы электроснабжения. В частности, на частоту длительных прерываний напряжения влияют климатические условия и вид линий электропередач (кабельные или воздушные линии).
Наибольшую вероятность возникновения имеют кратковременные прерывания напряжения длительностью менее нескольких секунд.
Как отмечалось ранее, по случайным событиям, к которым относятся и прерывания напряжения, накапливается статистическая информация.
Статистические данные систематизируются и протоколируются в табличной

форме (рис. 37), установленной ГОСТ 32144-2013. Рекомендуемая продолжительность измерений для оценки прерываний напряжений составляет 1 год.
Рис. 37. Классификация кратковременных прерываний напряжения по длительности
3.1.3. Перенапряжения
Перенапряжения (рис. 38), как правило, вызываются переключениями и отключениями нагрузки. Перенапряжения могут возникать между фазными проводниками или между фазными и защитными проводниками. В зависимости от устройства заземления короткие замыкания на землю могут также приводить к возникновению перенапряжения между фазными и нейтральным проводниками. В соответствии с требованиями действующего стандарта перенапряжение рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как остаточным напряжением u, %, определяемым в процентах от опорного напряжения, так и длительностью перенапряжения

t
пер
Перенапряжения измеряют в соответствии с ГОСТ 30804.4.30, подраздел 5.4, на основе измерений среднеквадратических значений напряжения, обновляемых для каждого полупериода. Дата и время перенапряжений фиксируется. Продолжительность измерений для оценки перенапряжений – 1 год.
ГОСТ 32144-2013
Таблица А.2
Классификация кратковременных прерываний напряжения по длительности
Остаточное напряжение u, % опорного напряжения
Длительность провала (прерывания) напряжения, с t
пр

0,5 0,5 <

t пр

1 1<

t пр

5 5<

t пр

20 20<

t пр

60 60<

t пр

180 5 > u > = 0

Пороговое значение начала перенапряжения принимают равным 110 % опорного напряжения.
Рис. 38. Временное перенапряжение
Длительность перенапряжения

t
пер
может достигать значения, равного 1 минуте.
Причинами появления кратковременных перенапряжений могут быть:

коммутация ненагруженных линий электропередач;

коммутация конденсаторных батарей;

коммутация малонагруженных трансформаторов;

подключение и отключение большой нагрузки.
В среднем за год в точке присоединения обычно наблюдаются около 30 перенапряжений. При обрыве нулевого проводника в низковольтных трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии
U

2U
nom
t

t
пер
1,1
-1,1 1,0
-1,0

фазных нагрузок может достигать значений линейного напряжения, а длительность – нескольких часов.
В системах низкого напряжения при определенных обстоятельствах неисправность, произошедшая электрически выше трансформатора, может породить временные перенапряжения на стороне низкого напряжения на время, в течение которого протекает ток, вызванный неисправностью. Такие перенапряжения в общем случае не превышают 1,5 кВ.
Рис. 39. Длительность и диапазон напряжения при прерываниях, провалах и перенапряжениях в сети
Для систем среднего напряжения ожидаемая величина такого перенапряжения зависит от типа заземления в системе. В системах с жестко заземленной нейтралью или с заземлением нейтрали через сопротивление перенапряжение обычно не превышает 1,7
c
U
. В системах с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через реактор перенапряжение обычно не превышает 2,0
c
U
. Тип заземления указывается оператором сети.
t
10 мс
1 мин
3 мин
u,%
180
110
100
90
5
Кратковременное прерывание
Длительное прерывание
Перенапряжение
Повышенное напряжение
Пониженное напряжение
Номинальное или согласованное напряжение
Провал
напряжения

ГОСТ 32144-2013
3.1.24.
Импульсное напряжение: перенапряжение, представляющее собой одиночный импульс или колебательный процесс (обычно сильно демпфированный), длительностью до нескольких миллисекунд.
Если обобщить показатели качества электроэнергии, касающиеся отклонений сетевого напряжения от номинального или согласованного значений по длительности и диапазону возможных отклонений, то обобщенный вариант графика будет иметь вид, представленный на рисунке
39.
3.1.4. Импульсные напряжения
Импульсные напряжения в точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети вызываются в основном либо молниевыми разрядами, либо процессами коммутации в системе электроснабжения или электроустановке потребителя.
В стандарте дается приведенное ниже (рис. 40) определение импульсного напряжения.
Рис. 40. Определение импульсного напряжения
На рисунке 41 показан типичный вид импульсного напряжения. Это резкий и кратковременный скачок мгновенного напряжения в сети с последующим его восстановлением до уровня, близкого к исходному.
Время нарастания импульсных напряжений может изменяться в широких пределах от значений менее 1 микросекунды до нескольких миллисекунд.
Импульсное напряжение характеризуется:
− амплитудой импульса U
m
– разностью между наибольшим значением импульсного напряжения и мгновенным значением напряжения основной частоты, соответствующим моменту начала импульса;
− длительностью переднего фронта t
m
– интервалом времени от момента появления импульса до достижения амплитудного значения;

− длительностью импульса напряжения по уровню половины его амплитуды (U
m
/2) – t
Um/2
Рис. 41. Импульсное напряжение
Импульсы, вызываемые грозовыми и коммутационными явлениями, различаются между собой. Импульсные напряжения, созданные молниевыми разрядами, обычно имеют длительность порядка 10–15 мкс. Амплитуды этих импульсов значительно больше, а энергия существенно меньше, чем у скачков напряжения, возникающих из-за коммутационных процессов.
Коммутационные всплески напряжения характеризуются длительностью уровня 1000–15 000 мкс (10–15 мс) и значительно меньшей амплитудой по сравнению с теми, что создаются молниевыми разрядами.
В сетях среднего и высокого напряжения форма импульса, вызванного молниевым разрядом, в конкретной точке присоединения зависит от места ее расположения в сети.
В точках присоединения воздушных линий передач (ВЛ) импульсы напряжения, спровоцированные ударом молний, имеют вид затухающего колебательного процесса (рис. 42). Здесь наблюдается наибольшая амплитуда и наименьшая длительность переднего фронта импульса (t
m
= 1…3 мкс) по сравнению с другими местами электрической сети.

На вводах трансформатора форма импульса – аналогичная (рис. 43), но несколько меньшей амплутуды и чуть большей длительности переднего фронта t
m
= 1…5 мкс.
Рис. 42. Форма импульса напряжения в точке присоединения ВЛ
Рис. 43. Форма импульса напряжения на вводах силового трансформатора
На подстанциях в местах присоединения кабельных линий (КЛ) и при отсутствии воздушных линий на стороне низкого напряжения силового трансформатора импульс напряжения представляет собой монотонно затухающий процесс (рис. 44). В этих точках амплитуда скачка напряжения меньше по сравнению со значениями импульсов на вводах трансформатора и
t, мкс
1–3
t, мкс
U
m
U, кВ
U
m
U, кВ
1–5
3–10

в точках, связанных с воздушными линиями. Длительность переднего фронта в местах присоединения кабельных линий – наибольшая по сравнению с рассмотренными ранее вариантами: t
m
= 1…10 мкс.
Рис. 44. Форма импульса напряжения в точке присоединения КЛ и отсутствии на подстанции ВЛ
Импульсы напряжения опасны для силового оборудования. Они могут привести к пробою изоляции трансформаторов, электрических машин и другого оборудования сети электроснабжения. К ним особенно чувствительны приборы с полупроводниковой элементной базой – силовая электроника, компьютеры и т.д.
В стандарте даются примерные значения грозовых и коммутационных импульсов (табл. 1). Для обеспечения надежной работы систем электроснабженения при выборе и проектировании средств защиты необходимо принимать во внимание эти данные.
По статистике, вероятность превышения импульсами напряжения амплитудных значений, приведенных в ГОСТ, достаточно низкая. Например, в сетях низкого напряжения напряжением 0,38 кВ значения грозовых импульсных напряжений с вероятностью 90 % не превышают значений: 6 кВ во внутренней проводке зданий и 10 кВ в воздушной сети. В сетях среднего и высокого напряжения вероятность превышения импульсами амплитудных значений, данных в стандарте, составляет: для воздушных линий с
t, мкс
U
m
U
m
/2