ДонНТУ   Портал магистров

Шевякин Дмитрий Владимирович

Факультет интеллектуальной электроэнергетики и робототехники (ФИЭР)

Кафедра электрических систем

Специальность Электроэнергетические системы и сети

Исследование фликер-модели при недетерминированных изменениях напряжения

Научный руководитель: к.т.н., доц. Булгаков Александр Александрович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Обзор нормативной литературы
• 2. Отклонения и колебания напряжения
• 3. Фликер
• 3.1 Общие положения
• 3.2 Доза фликера
• 3.3 Фликерметр
• Выводы
• Список источников

ВВЕДЕНИЕ

Проблема качества электроэнергии в электрических системах является одной из самых важных, определяющих надежность и эффективность функционирования потребителей. Непрерывный рост мощности нелинейных несимметричных и резкопеременных нагрузок приводит к ухудшению качества электроэнергии, что, в свою очередь, может приводить к большим ущербам для экономики.

Качество электроэнергии – это совокупность ее основных свойств, которые оцениваются показателями качества электроэнергии, численно характеризующими уровни электромагнитных помех в системе электроснабжения.

Показатели качества электроэнергии нормируются согласно ГОСТ 13109-97 [1]. Это такие показатели:

• — отклонения напряжения;
• — колебания напряжения;
• — несинусоидальность кривой напряжения;
• — несимметрия напряжения;
• — отклонения частоты;
• — электромагнитные помехи.

Для того, чтобы предотвратить снижение качества электроэнергии и возможные последствия, связанные с этим, прибегают к ряду мероприятий [2]:

1) Методические, которые направлены на снижение помех, управление различными режимами работы энергосистем путем регулирования частоты и напряжения, обеспечение надежности функционирования энергосистем; контроль и анализ качества электроэнергии и автоматизированное измерение показателей качества электроэнергии;

2) Организационные – разработка и применение правовой и нормативной базы для поддержки условий обеспечения качества электроэнергии путем укрепления на оптовом рынке электроэнергии договорной основы в части требований к качеству электроэнергии;

3) Технические, включающие в себя применение различных средств регулирования напряжения и обеспечения его качества (средства компенсации реактивной мощности, фильтрокомпенсирующие и симметрирующие устройства, активные фильтры и накопители электроэнергии), систематический контроль качества электроэнергии, производство унифицированных средств измерения для учета и контроля качества электроэнергии; производство автоматизированных систем управления качеством электроэнергии.

1 ОБЗОР НОРМАТИВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Нормы качества электроэнергии на территории РФ на данный момент устанавливаются согласно ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [3].

На территории Украины принят ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [1], который считается устаревшим на территории РФ.

Также для определения норм качества электроэнергии в сетях 0,4 кВ используется ГОСТ 30804.3.3-2013 «Совместимость технических средств электромагнитная. Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в низковольтных системах электроснабжения общего назначения. Технические средства с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе), подключаемые к электрической сети при несоблюдении определенных условий подключения» [4].

Нормы и технические требования к фликерметру устанавливаются согласно ГОСТ Р 51317.4.15-2012 «Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Функциональные и конструктивные требования» [5].

Все актуальные стандарты соответствуют международным стандартам МЭК серии IEC 61000 “Electromagnetic compatibility (EMC)”, а именно IEC 61000-3-3-2017 “EMC. Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current ≤16 A per phase and not subject to conditional connection” [6] и IEC 61000-4-15- 2010 “EMC. Testing and measurement techniques. Flickermeter. Functional and design specifications” [7].

2 ОТКЛОНЕНИЯ И КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Значение напряжения в узлах системы может отличаться от номинального, что вызвано балансами реактивной мощности, графиками нагрузки узлов, падением напряжения на участках сети и режимами работы устройств компенсации реактивной мощности. Таким образом, установившееся отклонение напряжения – это отклонение напряжения от его номинального значения в установившемся режиме работы электрической сети, усредненное за определенный интервал.

При длительной работе электроприемников с большим отклонением возможны негативные последствия для энергосистемы.

При повышенном напряжении:

• — опасность перегрева статоров асинхронных двигателей;
• — уменьшение срока службы ламп накаливания;
• — увеличение тока холостого хода силовых трансформаторов, что приводит к перегреву их магнитопроводов;
• — увеличение потребления реактивной мощности вентильными преобразователями.

При пониженном напряжении:

• — уменьшение вращающего момента асинхронных двигателей;
• — перегрев роторов асинхронных двигателей, уменьшение их пусковых и опрокидывающих моментов, что может стать причиной нарушения производственных процессов на предприятиях;
• — уменьшение светового потока ламп накаливания;
• — перерасход электроэнергии и ухудшение технологического процесса электропечей.

Колебания напряжения происходят в результате тех же процессов, которые вызывают отклонения напряжения, однако происходят с большей скоростью. Т.е., колебаниями напряжения называют быстрые изменения его текущих значений относительно друг друга [8]. Согласно [1] колебания характеризуются двумя параметрами: размахом изменения напряжения и дозой фликера.

Размах изменения напряжения (δU_t) – это величина, которая равна разности значений U_i и U_i+1 следующих друг за другом экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей среднеквадратичных значений напряжения основной частоты, определенных на каждом полупериоде в процентах от номинального напряжения:

Допускается определять размах изменения напряжения при коэффициенте искажения синусоидальности не более 5% согласно выражению:

где U_ампi и U_ампi+1 – значения следующих друг за другом экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающих амплитудных значений напряжений основной частоты (рис. 2.1), Δt – интервал между размахами напряжения.

Суммарное максимально допустимое значение размаха напряжения и его установившегося отклонения должно составлять не более ±10% в точках присоединения к сети 0,4 кВ в нормальных режимах.

3 ФЛИКЕР

3.1 Общие положения

Колебания и другие быстрые изменения напряжения (длительностью менее 1 мин) приводят к заметному и неприятному для глаз человека изменению освещенности, создаваемой электрическими лампами, что вызывает физиологическую усталость. Изменение светового потока ламп δΦ_t пропорционально размаху изменения напряжения и частоте изменения напряжения.

Фликер – это субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети [9].

Фликер обладает накапливающимся воздействием, эффект от которого тем больше, чем больше размах колебаний и частота их повторения. Такая закономерность справедлива до некоторого критического значения (≈17,5 Гц), после превышения которого происходит слияние мерцаний света (25-30 Гц) и глаз перестает их воспринимать, и допустимый размах изменения напряжения увеличивается. Также при большой частоте изменений проявляется тепловая инерция нити накала лампы, что снижает колебания освещенности.

3.2 Доза фликера

Доза фликера определяет меру восприимчивости человека к воздействию фликера за определенный промежуток времени [9]. В отличие от размахов и частоты колебаний напряжения дозой фликера оценивается интегральное кумулятивное восприятие светового потока человеком.

Различают кратковременную (10 мин) P_St и длительную (120 мин) P_Lt дозы фликера, измеряемые в точке передачи электрической энергии.

Методы оценки дозы фликера устанавливаются ГОСТ Р 51317.4.15 [5]. Измерение на интервале T_S=10 мин позволяет определить кратковременную дозу фликера P_St. Сначала находят уровни фликера P(%)², соответствующие интегральной вероятности 0,1; 0,7; 1,0; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10,0; 13,0; 17,0; 30,0; 50,0; 80,0 %. Затем определяют сглаженные уровни фликера P_s при интегральной вероятности равной 1,0; 3,0; 10,0; и 50,0 %:

Используя полученные значения, вычисляют кратковременную дозу фликера P_St на интервале времени T_S согласно формуле:

Длительную дозу фликера P_Lt определяют на интервале времени T_L, равном 2 ч по формуле:

где P_Stk – кратковременная доза фликера на k-ом интервале времени T_S в течение периода наблюдения T_L.

В случае, если известна характеристика относительного изменения напряжения d(t), то для оценки кратковременной дозы фликера может быть применен метод моделирования с использованием компьютера

Для указанных показателей качества электроэнергии установлены следующие нормы [4]:

• — кратковременная доза фликера P_St не должна превышать значения 1,0;
• — длительная доза фликера P_Lt не должна превышать значения 0,65;
• — T_max, суммарное значение времени характеристики относительного изменения напряжения d(t) с отклонением более, чем 3,3% не должно превышать 500 мс;
• — установившееся относительное изменение напряжения d_c не должно превышать 3,3%;
• — максимальное относительное изменение напряжения не должно превышать:
  • 1) 4% при отсутствии дополнительных условий;
  • 2) 6% для оборудования, которое:
    • а) включается и отключается вручную;
    • б) включается или отключается автоматически чаще двух раз в день (при наличии запаздывающего повторного пуска) или запускается вручную после перерыва электроснабжения;
  • 3) 7% для оборудования, которое:
    • а) применяется непосредственно человеком (бытовые электроприборы, электрический инструмент);
    • б) включается и отключается автоматически не чаще двух раз в день (при наличии запаздывающего повторного пуска) или запускается вручную после перерыва электроснабжения;

3.3 Фликерметр

Измерение дозы фликера производят фликерметром – прибором, который воспроизводит математическую модель канала воздействия данного процесса, образованного источником освещения, на глаз и мозг человека [2]. Внешний вид прибора представлен на рис. 3.1.

На рис. 3.2 приведена функциональная схема прибора. Прибор состоит из двух частей, выполняющих следующие задачи:

• — моделирование реакции цепи «лампа-глаз-мозг»;
• — статистический анализ сигнала фликера в реальном времени и отображение результатов измерений.

Для выполнения первой задачи используются блоки 2, 3 и 4 (рис. 3.2), для второй задачи – блок 5 (рис. 3.2).

Рассмотрим подробнее работу каждого из блоков:

1) Блок 1 – адаптер входного напряжения. Служит для приведения напряжения сети к внутреннему опорному напряжению прибора. Благодаря этому, измерения фликера могут производиться независимо от действительного уровня входного напряжения прибора и выражаться в процентах.

2) Блок 2 – квадратичный умножитель. Воспроизводит колебания напряжения путем возведения в квадрат входного напряжения, приведенного к внутреннему опорному напряжению, для имитации характеристик лампы накаливания.

3) Блок 3 – взвешивающие фильтры. Блок состоит из каскада двух последовательно включенных фильтров и селективного фильтра (может быть установлен до или после каскада последовательно включенных фильтров).

Первый из двух последовательных фильтров является низкочастотным и служит для исключения компонентов пульсаций удвоенной частоты сети на выходе демодулятора. Также может быть использован высокочастотный фильтр для исключения любых компонентов напряжения постоянного тока.

Второй последовательный фильтр является взвешивающим, он моделирует частотный отклик зрительной системы человека при колебаниях напряжения синусоидальной формы, подаваемого на газонаполненную лампу с биспиральной нитью накаливания (60 Вт, 230 В или 60 Вт, 120 В).

4) Блок 4 – квадратичная обработка и сглаживание. Блок состоит из устройства квадратичной обработки сигналов и низкочастотного фильтра первого порядка. Восприятие фликера с учетом характеристик глаза и мозга человека моделируется характеристикой, которую обеспечивают блоки 2, 3 и 4. Выход блока 4 представляет собой мгновенное значение фликера P_inst.

5) Блок 5 – текущий статистический анализ. С помощью данного блока осуществляется анализ уровня фликера в режиме реального времени, и непосредственное вычисление основных оцениваемых параметров.

ВЫВОДЫ

Были рассмотрено понятие качества электрической энергии, а также ее показатели, которые требуют строгого регулирования.

Рассмотрена основная техническая документация, которая направлена на установление стандартов для рассматриваемых показателей

Также было проведено ознакомление с такими явлениями, как колебания и отклонения напряжения и последствия которые могут быть ими вызваны, в частности фликер-эффект.

Были рассмотрены методы оценки дозы фликера в электрических сетях общего назначения и установленные нормы дозы фликера.

Также была изучено структура и принцип работы прибора, предназначенного для моделирования и измерения дозы фликера.

Полученные результаты могут быть использованы при исследовании дозы фликера в электрических сетях общего назначения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (МЭК 868, 1000-3-2, 100-4-1)». – Введ. 01.01.1999г.
2. Карташев И.И., Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульскмй, Р.Г. Шамонов и д.р.; под ред. Ю.В. Шарова. – Издательский дом МЭИ, 2006 – 320 с.
3. ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. (EN 50160:2010, NEQ)». – Введ. 01.07.2014г.
4. ГОСТ 30804.3.3-2013 «Совместимость технических средств электромагнитная. Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в низковольтных системах электроснабжения общего назначения. Технические средства с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе), подключаемые к электрической сети при несоблюдении определенных условий подключения (IEC 61000-3-3:2008 EMC)» - Введ. 01.01.2014г.
5. ГОСТ Р 51317.4.15-2012 «Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Функциональные и конструктивные требования (МЭК 61000-4-15:2010)» - Введ. 01.01.2013 г.
6. IEC 61000-3-3-2017 «Electromagnetic compatibility: Limits – Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current ≤ 16 А per phase and not subject to conditional connection» - Введ. 05.2017г.
7. IEC 61000-4-15-2010 «Electromagnetic compatibility: Testing and measurement techniques – Flickermeter – Functional and design specification» - Введ. 08.2010г.
8. Подгурская, И.Г., Управление качеством электроэнергии: методические указания к практическим работам / Подгурская И.Г., Ротачева А.Г., Наумов И.В., - Благовещенск: АмГУ, 2015 – 71 с.
9. Ананичева, С.С., Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах: учебное пособие для вузов / С.С. Ананичева, А.А. Алексеев, А.Л. Мызин.; 3-е изд., испр. – Екатеринбург: УрФУ, 2012 – 93 с.