Аннотация
Одним из главных векторов перспективного развития России, согласно установкам энергетической стратегии на период до 2030 года, является повышение эффективности контроля качества электрической энергии (КЭ). Для этого необходимо уделять большее внимание совершенствованию методов контроля и анализа показателей КЭ. Оценка показателей КЭ является обязательной процедурой для обеспечения безопасного применения электрооборудования, а также для осуществления обязательств по предоставлению электроэнергии потребителям. Несоответствие норм показателей КЭ может привести к преждевременному износу оборудования, нарушениям производственных и технологических циклов работы предприятий, а также к дополнительным потерям электроэнергии. В статье рассмотрены показатели качества электроэнергии, характеризующие несинусоидальность напряжения.Общая постановка проблемы
В статье рассматривается оценка показателей КЭ, характеризующих несинусоидальность напряжения. Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения. Если нагрузка в системе линейная, то и токи во всех ветвях синусоидальны. Наличие нелинейной нагрузки приводит к возникновению несинусоидальных токов во всех ветвях электрической сети, что приводит к возникновению несинусоидальной кривой напряжения во всех точках сети, что отрицательно влияет на работу электрической сети
Источниками искажений являются силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (при повышенном напряжении на их выводах) преобразовательные устройства переменного тока в постоянный и электроприемники (ЭП) с нелинейными вольт-амперными характеристиками (или нелинейные нагрузки).
Анализ несинусоидальности напряжения является составной частью системы эксплуатационного контроля качества электроэнергии. Для этого на шинах управления соответствующих контрольных пунктов устанавливают анализаторы несинусоидальности, сочлененные с регистрирующими приборами. Для анализа несинусоидальности режимов напряжения разлагают на спектральные составляющие. Таким образом, для повышения точности измерения показателей несинусоидальности напряжения необходимо повышать точность оценки гармонических и интергармонических составляющих напряжения.
Существенные различия между ГОСТ 32144-2013 и ГОСТ Р 54149-2010 имеют место как раз в отношении показателей искажения синусоидальности напряжения в электрических сетях. В ГОСТ 32144-2013 искажения синусоидальности напряжения характеризуются коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентами n-й гармонической составляющей напряжения.
Согласно ГОСТ 32144-2013 несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.
Согласно ГОСТ 32144-2013 нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точке общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены на рисунке 1.
Таблица 1 – Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения согласно ГОСТ 13109-97 (в процентах)
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициенты n-й гармонической составляющей напряжения, измеряемые в соответствии с ГОСТ 13109–97, адекватно характеризуют искажения синусоидальности напряжения в электрической сети только в том случае, если сигнал в измерительном окне является периодическим. Однако напряжение в сетях в общем случае представляет собой нестационарный процесс. Поэтому в ГОСТ Р 54149-2010, ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008 введены требования к группированию составляющих спектра на гармонических частотах с соседними спектральными составляющими [1-3].
Спектральные составляющие на частотах, расположенных между двумя последовательными гармоническими частотами, возникают при наличии в сигнале интергармонических составляющих. Такие спектральные составляющие являются интергармониками тока или напряжения. Интергармоники всегда присутствуют в системе электроснабжения, но в последнее время с резким увеличением силовых электронных систем их практическое влияние стало более ощутимым [4-5].
Источниками интергармонических составляющих в основном являются два механизма. Первый заключается в возникновении составляющих в частоте питающего напряжения и его гармониках в результате изменения их амплитуд и углов фаз. Это вызывается быстрым изменением значений тока в электроустановках и оборудовании, которые могут быть причиной перепада напряжения. Эти возмущения носят случайный характер и зависят от оборудования и действующих процессов. Примером такого механизма является, например, электропривод с инверторами. Источниками второго механизма являются силовые электронные устройства, частоты переключений которых не синхронизированы с частотой системы электроснабжения. Типичным видом таких механизмов являются источники питания «переменный ток – постоянный ток», корректоры коэффициента мощности, преобразователи частоты [4-5].
Интергармоники могут появляться при любых значениях напряжения и перетекать из одних систем в другие. Амплитуда интергармоник редко превышает 0,5 процентов значения амплитуды основной частоты, но в условиях резонанса возникают и большие значения [4-5].
Спектральные составляющие, относящиеся к интергармоникам, обычно изменяются по амплитуде и по частоте. Группирование спектральных составляющих в интервале частот между последовательными гармоническими составляющими образует интергармоническую группу. Это группирование позволяет учесть значения спектральных составляющих, возникающих между двумя последовательными гармониками, а также учесть результаты флюктуации гармоник.
Именно гармонические подгруппы и суммарный коэффициент гармонических подгрупп, определяемые по ГОСТ Р 51317.4.7–2008, введены в ГОСТ Р 54149-2010 вместо коэффициента n-й гармонической составляющей и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, примененных в ГОСТ 32144-2013.
Нормы показателей КЭ, относящиеся к несинусоидальности напряжений, в стандарте [1] сохранены, однако, измеряются и оцениваются с учетом влияния не только высших гармоник, но и групп близко расположенных комбинационных (интергармонических) составляющих в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.7-2008 [3].
Согласно ГОСТ Р 51317.4.7-2008 несинусоидальность напряжения описывают значениями коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка KU(n) в процентах напряжения основной гармонической составляющей U(1) в точке передачи электроэнергии и суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке передачи электроэнергии.
В качестве опорного способа измерения гармоник напряжения ГОСТ Р 51317.4.7–2008 [3] определяет дискретное преобразование Фурье (ДПФ) или быстрое преобразование Фурье (БПФ), которые применяются вместе с дополнительными операциями над данными, например, их сглаживание и взвешивание. Однако это не исключает применение других принципов анализа гармоник [3].
Вначале требуется выполнить предварительную процедуру изменения частоты дискретизации. Для передискретизации требуется точно знать значение частоты основной гармоники, которую можно определить, опираясь на другой алгоритм оценки частоты. Далее перед выполнением БПФ отсчеты взвешивают, умножая их на симметричную функцию. Однако для периодических сигналов и синхронизированных отсчетов предпочтительно использовать прямоугольную взвешивающую функцию измерительного окна. Применение измерительного окна Хэннинга допускается только при потере синхронизации.
Выводы
Совершенствование методов контроля и анализа показателей несинусоидальности напряжения осуществлялось путем модернизации существующих методов и создания нового алгоритма оценки параметров гармоник и интергармоник напряжения.
Список литературы
- ГОСТ Р 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.standards.ru/
- ГОСТ Р 51317.4.30–2008 (МЭК 61000-4-30:2008). Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.
- ГОСТ Р 51317.4.7–2008 (МЭК 61000-4-30:2008). Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем.
- Ханзелка, З. Интергармоники / З. Ханзелка, А. Бьень // «Энергосбережение». 2005. № 7. C. 80-84.
- Ханзелка, З. Интергармоники / З. Ханзелка, А. Бьень // «Энергосбережение». 2006. № 3. C. 88-95.