Объемы потребления электроэнергии возрастают с каждым годом. В промышленности вводятся новые производственные мощности, строятся новые заводы. Растет и число частных предпринимателей, организующих мелкие производства: лесопилки, сборочные, монтажные и сварочные цеха.
Не отстают от этого и бытовые потребители электроэнергии. Промышленностью выпускается все больше электрифицированных устройств, позволяющих облегчить быт и разнообразить отдых людей, создать им максимальный комфорт.
Все это приводит к увеличению нагрузок на существующие электросети. Но их модернизация и развитие идет вперед с меньшими темпами. Эксплуатация старых электрических сетей на уровне мощности, близкому к предельному, приводит к ряду последствий, ухудшающих качество электрической энергии.
Но не только увеличение потребления мощности пагубно действует на сети. Сам характер нагрузки изменился. Возросло количество устройств, потребляющий не синусоидальный, а импульсный ток.
Лампы накаливания, нагревательные элементы, электродвигатели – все они потребляют ток синусоидальной формы. Но теперь лампы накаливания заменяются люминесцентными, энергосберегающими (компактными люминесцентными) и светодиодными источниками света. Вместо духовых шкафов с ТЭНами используются микроволновые печи, а в цепях управления электродвигателями появляются полупроводниковые устройства управления, регулирующие скорость их вращения. Добавим к этому списку телевизионные приемники, компьютеры и другие бытовые полупроводниковые устройства.
Полупроводники являются нелинейными элементами. Это означает, что проходящий через них ток не повторяет синусоидальную форму напряжения, а имеет свою собственную. А это приводит к появлению в питающей сети напряжений высших гармоник, с частотой, большей 50 Гц. Эти гармоники пагубно влияют на работу другого электрооборудования.
А каковы последствия ухудшения показателей качества? Разберем это подробнее для каждого из них.
Отклонение напряжения
При изменениях напряжения питания у асинхронных электродвигателей изменяются:
- скорость вращения;
- потребляемая активная мощность;
- потребляемая реактивная мощность;
- мощность потерь реактивной и активной мощности;
- срок службы изоляции.
Характер изменения параметров приведен в таблице.
| Параметр | Изменение при повышении напряжения | Изменение при понижении напряжения | Следствие |
| Скорость вращения | увеличивается | уменьшается | Изменяется производительность |
| Потери активной мощности полностью загруженного двигателя | Снижаются | Возрастают из-за увеличения потребляемого тока | Изменение потерь на нагрев, снижение КПД |
| Потери активной мощности не полностью загруженного двигателя | Возрастают | Снижаются | Изменение потерь на нагрев, снижение КПД |
| Потребляемая реактивная мощность | Изменение напряжения на 1% приводит к изменению потребляемой реактивной мощности на 3% | Изменение потерь на нагрев, снижение КПД | |
| Срок службы изоляции | увеличивается | уменьшается | Уменьшение срока между капитальными ремонтами |
У синхронных электродвигателей при изменениях напряжения меняются:
- максимальный электрический момент (пропорционально напряжению);
- генерируемая реактивная мощность (характер изменения зависит от режима работы двигателя);
- статическая устойчивость.
Влияние изменения питающего напряжения на выпрямительные установки зависит от режима их работы. Если выпрямитель стабилизирует выпрямленный ток, то на его нагрузке изменения никак не сказываются. Но зато изменяет коэффициент мощности и повышает потребление реактивной мощности.
Для выпрямителей без стабилизации выходных параметров при изменениях напряжения питания изменяются производительность и повышается расход электроэнергии. Те же самые изменения происходят и в электротермических установках (печах сопротивления, дуговых и индукционных печах).
При повышении номинального напряжения на 10% срок службы ламп накаливания снижается в три раза. Включение холодной лампы в работу при повышенном напряжении приводит к ее мгновенному выходу из строя из-за резкого броска тока. У энергосберегающих, люминесцентных и светодиодных ламп снижается срок службы драйверов и нитей накала.
Несимметрия напряжений трехфазной системы
Несимметрия – это разность величин фазных и линейных напряжений. Причины ее возникновения:
- неравномерность загрузки по фазам;
- несимметричные режимы работы трехфазных электроприемников;
- неполнофазные режимы в сети (обрывы фаз).
Несимметрия питающего напряжения вызывает в электрических машинах переменного тока появление магнитных полей, вращающихся в противоположном ротору направлении. Это приводит к нагреву магнитопроводов, а следовательно – к увеличению потерь, снижению КПД, сокращению срока службы изоляции.
На потерях в линиях электропередач несимметрия никак не сказывается, но увеличивает нагрев силовых трансформаторов, уменьшая их срок службы.
У установок компенсации изменяется генерация реактивной мощности, а за счет возникновения местных нагревов конденсаторов из-за выхода установки на нерасчетный режим уменьшается срок их службы.
Колебания напряжения
Колебания величины напряжения происходят под влиянием резко изменяющихся нагрузок. Это:
- включение мощных потребителей;
- работа устройств, потребляемый ток ступенчато изменяется во времени (электросварка, краны, лебедки; в быту – холодильники, электроинструмент, электрочайники, СВЧ-печи);
Колебания напряжения приводят к:
- погасанию люминесцентных и натриевых ламп, снижению их срока службы;
- изменению светового потока от осветительных приборов;
- отпаданию магнитных пускателей и остановке оборудования;
- выходу из строя электрооборудования;
- выпуску бракованной продукции;
- в масштабах энергосистемы – нарушению устойчивости работы генераторов.
Несинусоидальность напряжения
Несинусоидальным напряжение становится под действием потребляемого тока несинусоидальной формы. Источниками искажений являются все полупроводниковые устройства и аппараты, потребляющие импульсный ток. В результате в сети, кроме основной гармоники напряжения частотой 50 Гц, появляются высшие гармоники с частотами, кратными 50: 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и т.д.
Наличие гармоник приводит к дополнительным потерям в электрических двигателях, силовых трансформаторах и распределительных сетях. Их доля в общем объеме всех потерь – 30-40%. Кроме того:
- конденсаторные установки из-за перегрева токами высших гармоник перегреваются и взрываются;
- сокращается срок службы изоляции электрооборудования;
- выходят из строя кабельные линии;
- происходят сбои в работе устройств релейной защиты, автоматики и связи.
Электромагнитные помехи
Это процессы, протекающие в сети кратковременно: от нескольких периодов частоты 50 Гц до нескольких секунд. Но спектр частот, распространяющийся по сети, в результате составляет кило- и мегагерцы.
Причины их возникновения:
- однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, известные непостоянством горения дуги и многократным возникновением и исчезновением в течение короткого времени;
- грозовые перенапряжения и замыкания, связанные с ними;
- коммутационные перенапряжения и переходные процессы при отключении или включении силового электрооборудования;
- явление феррорезонанса.
Электромагнитные помехи сильное влияние оказывают на микропроцессорные устройства и системы связи, приводя к сбоям в работе и поломкам оборудования. Но наибольшее вредное воздействие они оказывают в сочетании с ухудшением других показателей качества: несинусоидальности, колебаний и несимметрии напряжения.
Измерение параметров качества электроэнергии
Для предотвращения пагубного воздействия всех описанных выше изменений характеристик питающего напряжения необходимо производить их количественную оценку. Для этого используют измерители параметров качества – специальные приборы, записывающие характеристики сети. Они устанавливаются в заданной ее точке на некоторое время и собирают информацию.