Анализаторы качества электроэнергии

Понятие «качество» применимо не только к продуктам питания, бытовой технике или автомобилям. Электроэнергия тоже является продуктом потребления, а поэтому ее качество нуждается в оценке.

Сложность измерительного процесса состоит в том, что для составления заключения недостаточно кратковременного измерения. Оно производится в течение длительного времени. Для этого прибор должен обладать собственной памятью, способной вместить данные, получаемые из сети через определенные промежутки времени. Чем меньше промежуток между отдельными измерениями, тем точнее получаются результаты и меньше риск пропустить короткий процесс.

Другой особенностью параметров качества электроэнергии является то, что измеряются они не в полной сети, а в ее точке: во вводном щитке квартиры, шинах подстанции, выходных шпильках силового трансформатора. На разных участках сети параметры качества различны, поскольку влияние на него оказывают сопротивления кабельных линий, характер их нагрузки и ее нелинейность.

Рассмотрим факторы, влияющие на качество электроэнергии.

Что ухудшает качество электроэнергии?

Простейшей характеристикой, измеряемой анализатором качества, является величина напряжения в сети. ГОСТ-32144-2013, регламентирующий допустимые отклонения показателей качества, разделяет колебания напряжения на два вида:

• медленные изменения, происходящие за время, большее одной минуты;
• колебания напряжения, процесс которых укладывается в одну минуту;
• провалы величины напряжения, приводящие к кратковременному изменению его величины;
• исчезновение напряжения (полное его отсутствие в течение некоторого времени).

Причинами, ухудшающими этот параметр, являются:

• перегрузка сети, приводящая к нехватке напряжения из-за больших токов потребления;
• меры для повышения напряжения в часы максимума нагрузки, связанные с сознательным увеличением его величины на выходе трансформаторов. Они приводят к недопустимо больших величинах в ночные и утренние часы (при минимальной загрузке).
• запуск мощных электродвигателей, подключенных к общей сети, приводящий к кратковременным посадкам напряжения;
• коммутационные изменения, связанные с переключениями в сети;
• короткие замыкания в сети.

Оценивается также несимметрия фазных и линейных напряжений. При различной загрузке по фазам эти отклонения существенны. Если для однофазных потребителей это не так важно (главное – чтобы величина напряжения не выходила за рамки дозволенного), то для трехфазных электродвигателей асимметричное питание по фазам негативно сказывается на работе.

Наличие в сети емкостных или индуктивных нагрузок приводит к коммутационным процессам при их отключении или включении. При отключении индуктивности в ней возникает ЭДС самоиндукции, в момент включение емкости через нее происходит бросок тока.

Ухудшают качество не только коммутационные изменения, но и грозовые перенапряжения. Их сглаживают разрядники и ограничители перенапряжения, но не до конца, небольшой импульс все же остается.

Редким нарушением режима работы сети является отклонение частоты, которая обычно равна 50 Гц. Но из-за нарушений в системе энергоснабжения теоретически может иногда изменяться в большую или меньшую сторону. Режим этот – аварийный, так как возможен только при отсутствии связи с энергосистемой части генерирующих мощностей.

Искажения формы напряжения

Об этом показателе качества стоит поговорить отдельно, так как его ухудшение стремительно набирает обороты. Связано это с нелинейностью нагрузок, подключаемых в сети. Таких нагрузок становится все больше. Что это за потребители?

Линейными называют потребителей, ток в которых в любой момент времени линейно зависит от напряжения. Это лампы накаливания и обогреватели. Нелинейными называются потребители, содержащие в своем составе полупроводниковые элементы.

Для примера возьмем светодиодную лампу с простейшим драйвером, представляющим собой резистор. Светодиод проводит ток в одном направлении. При поступлении положительной полуволны напряжения ток через него проходит, а при отрицательной – нет. Из-за того, что ток нагрузки появляется только при прохождении положительной полуволны напряжения, амплитуда этой полуволны незначительно снижается по отношению к отрицательной.

Это не заметно, когда лампа работает в единичном экземпляре. А если такими лампами освещен офис или производственная площадка, разность между амплитудами положительных и отрицательных полуволн напряжения становится ощутимой. Кроме того, из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диода кривая напряжения изменяется, отклоняясь от синусоиды.

В результате, помимо основной гармоники частоты 50 Гц, в составе напряжения сети появляются дополнительные гармоники. Их величина может стать настолько существенной, что помешает работе других потребителей электрической энергии.

Другой пример: блоки питания компьютерной техники или телевизионных приемников. Все они работают по одному принципу: напряжение в сети выпрямляется, затем из него формируются импульсы высокой частоты. Ток нагрузки, потребляемый блоком питания, изменяется во времени по сложному закону. Помимо искажения формы кривой напряжения, в сеть выдается импульсная помеха. Фильтры блоков питания не снижают ее до нуля. Один блок питания вреда много не принесет, но на каждой лестничной площадке к сети подключен десяток таких устройств, а в масштабах дома – сотни.

Порядок измерения анализаторами качества

Существующие проблемы решать можно, и методы борьбы с ними известны. Но, чтобы разобраться в причинах некачественного электроснабжения, нужно определить их характер. Для этого и используют анализаторы качества электроэнергии.

Практика их применения пока еще не дошла до обязательных повсеместных измерений, таких, как измерение сопротивления изоляции или непрерывности заземляющих проводников. Никто при вводе в эксплуатацию не требует протокол измерения параметров качества. Проверки производятся лишь в случаях, когда по непонятным причинам в сети творится неладное или после жалоб потребителей.

На место выезжают представители электротехнической лаборатории с прибором. Оценивают характер нагрузки, схему электроснабжения потребителей, выбирают место для подключения анализатора к сети. Прибор подключается и остается в этом состоянии на время, достаточное для выявления отклонений.

Для измерения напряжений к прибору подсоединяются все три фазы и нулевой рабочий проводник. Кроме того, при помощи токовых клещей прибор измеряет токи нагрузки по всем трем фазам и в нулевом проводе.

Если измерение производится на стороне 0,4 кВ, то напряжения подключаются напрямую, а токовые клещи устанавливают на шины или жилы питающего кабеля. Если параметры качества контролируются по стороне высокого напряжения, то выводы для измерения напряжений подключаются к вторичным обмоткам ТН, а токи измеряются во вторичных цепях трансформаторов тока. При анализе результатов учитываются коэффициенты трансформации измерительного оборудования.

В прошествии этого времени прибор отключают, скачивают с него данные в компьютер и анализируют. Выполняется эта работа специально обученными специалистами, с практическим опытом работы. Они дают заключение: какой из параметров не в норме, определяют предполагаемую причину. Совместно с представителями электроснабжающей организации намечаются пути решения проблемы. После их реализации измерения повторяют и проверяют, были ли принятые меры эффективны.