Проблемы качества электроэнергии и новые пути их решения
Вопросы, относящиеся к качеству электроэнергии, в наше время являются предметом особой озабоченности. Широкое распространение электронных устройств, включающих в себя оборудование информационных технологий, силовую электронику (регулируемые приводы, программируемые логические контроллеры, энергоэффективные осветительные устройства), приводят к полному изменению природы электрических нагрузок. Такие нагрузки одновременно являются и главными причинами, и главными объектами воздействия проблем качества электроэнергии. Из-за своей нелинейности эти нагрузки приводят к искажению формы напряжения.
Кроме технического прогресса одной из основных тенденций развития мировой экономики является глобализация, при этом показатели рентабельности многих видов деятельности имеют тенденцию к снижению. Высокая чувствительность подавляющего большинства потребителей (промышленных, сферы услуг и даже коммунальных) к проблемам качества электроэнергии приводит к тому, что наличие электроэнергии с высоким качеством становится основным фактором конкурентоспособности в любой сфере деятельности. Наиболее критичными областями являются непрерывные технологические циклы и сфера информационно-технологических услуг. Возникновение нарушений может привести к огромным финансовым потерям и последующему снижению производительности и конкурентоспособности.
Хотя поставщики электроэнергии прилагают соответствующие усилия, многим потребителям необходимо более высокое качество электроэнергии, чем то, которое могут обеспечить современные электрические сети. Это означает, что должны приниматься определённые меры для достижения более высоких уровней качества электроэнергии.
Наиболее распространённые виды проблем качества электроэнергии приведены в Таблице № 1.
Характеристика проблем качества электроэнергии
Даже самые лучшие системы передачи и распределения энергии не в состоянии обеспечивать электроэнергией с уровнем надёжности, который необходим для надлежащей работы нагрузок в современном мире. Современные системы передачи и распределения проектируются с уровнем доступности от 99,9 до 99,99%. Это значение сильно зависит от уровня резервирования сети, который отличается в зависимости от географического положения и уровня напряжения (в сети высокого напряжения уровень готовности выше). В некоторых удалённых регионах готовность систем передачи и распределения может опускаться до 99%. При этом даже при уровне 99,99% эквивалентное время прерывания составляет 52 мин. в год.
Для надлежащей работы самых требовательных процессов в современной «цифровой» экономике необходимо энергоснабжение с уровнем готовности 99,9999999% (9 девяток). С 1992 по 1997 г. EPRI проводил исследования в США по определению средней продолжительности нарушений. Ниже представлены их результаты для типового потребителя за 6-летний период.
Таблица № 1. Наиболее распространённые проблемы качества электроэнергии
|
1. Провалы напряжения
|
Описание: понижение значения напряжения до уровня от 10 до 90% от номинального действующего значения напряжения на частоте сети длительностью от 0,5 периода до 1 мин.
Причины: аварии в сети передачи и распределения (в большинстве случаев на параллельных фидерах). Аварии в электроустановках потребителей. Подключение мощных нагрузок и пуск мощных двигателей.
Последствия: сбои в работе ИТ-оборудования, т.е. систем управления на микропроцессорах (ПК, ПЛК, регулируемые приводы и т.п.), которые могут привести к остановке технологического процесса. Отключения контакторов и электромагнитных реле. Отключение и снижение производительности электрических вращающихся машин.
|
|
2. Кратковременные прерывания
|
Описание: полное отключение электроэнергии длительностью от нескольких миллисекунд до 1-2 с.
Причины: в основном при срабатывании устройств защиты и автоматическом повторном включении при отключении аварийного участка сети. Основными причинами являются повреждение изоляции, грозовые разряды и пробой изоляции.
Последствия : срабатывания устройств защиты, потеря информации или сбои в работе оборудования обработки данных. Прекращение работы чувствительного оборудования (регулируемых приводов, компьютеров, ПЛК), если они не подготовлены к работе в такой ситуации.
|
|
3. Длительные прерывания
|
Описание: полное отключение электроэнергии длительностью более 1-2 с.
Причины: неисправности оборудования сети энергоснабжения, грозы, повреждения линий или опор при грозах или при воздействии посторонних объектов (деревьев, автомобилей и т.п.), ошибки персонала, плохая координация работ или неисправности устройств защиты.
Последствия: полное прекращение работы оборудования.
|
|
4. Выбросы напряжения
|
Описание: очень быстрые изменения напряжения длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд, которые могут достигать нескольких тысяч вольт, даже на низком напряжении.
Причины: грозовые разряды, коммутация линий или конденсаторов компенсации реактивной мощности, отключение мощных нагрузок.
Последствия: выход из строя компонентов (особенно электронных), разрушение изоляции, ошибки при обработке данных или потери данных, электромагнитные помехи.
|
|
5. Перенапряжения
|
Описание: кратковременные увеличения напряжения на частоте сети выше допустимых пределов отклонения длительностью более одного периода и обычно менее нескольких секунд.
Причины: включение/отключение мощных нагрузок, неправильно выбранные параметры источника, неправильное регулирование трансформаторов (особенно в непиковый период).
Последствия: потери данных, мерцание освещения и экранов мониторов, отключение или повреждение чувствительного оборудования, если значения напряжения чрезмерно велики.
|
|
6. Гармонические искажения
|
Описание: форма напряжения или тока несинусоидальна. Она соответствует сумме синусоид с различными амплитудами и фазами, частоты которых кратны частоте сети.
Причины: классическими источниками являются электрические машины, работающие выше точки перегиба кривой намагничивания (магнитное насыщение), дуговые печи, сварочные устройства, выпрямители и двигатели постоянного тока. Современные источники – это все нелинейные нагрузки, например, силовое электронное оборудование, которое включает в себя регулируемые приводы, импульсные источники питания, оборудование обработки данных, энергоэффективные осветительные устройства.
Последствия: повышенная вероятность возникновения резонанса, перегрузка нейтрали в 3-фазной системе, перегрев кабелей и другого оборудования, снижение кпд электрических машин, электромагнитные помехи для систем связи, ошибки при измерениях при использовании приборов, измеряющих средние значения, срабатывания тепловой защиты.
|
|
7. Флуктуации напряжения
|
Описание: колебания значения напряжения, амплитуда которого модулируется сигналом с частотой от 0 до 30 Гц.
Причины: дуговые печи, частые пуски/остановы электродвигателей (например, лифтов), переменные нагрузки.
Последствия: основные последствияте же, что возникают при снижении напряжения. Наиболее заметными являются мерцания освещения и экранов мониторов, создающие ощущения неустойчивости зрительного восприятия.
|
|
8. Шум
|
Описание: наложение высокочастотных сигналов на синусоидальный сигнал частоты сети.
Причины: электромагнитные помехи, вызванные электромагнитными волнами, в частности, микроволновыми печами, телевещанием и излучениями сварочных устройств, дуговых печей и электронного оборудования. Также причиной может являться неправильное заземление.
Последствия: нарушения в работе чувствительного электронного оборудования, как правило, не приводящие к его повреждению. Возможны потери данных или ошибки при их обработке.
|
|
9. Небаланс напряжения
|
Описание: изменение напряжения в 3-фазной системе, при котором три величины напряжений фаз или фазовые углы между напряжениями не равны.
Причины: большие однофазные нагрузки (индукционные печи, тяговые нагрузки), неправильное распределение однофазных нагрузок между тремя фазами системы (это может также произойти из-за аварии).
Последствия: несбалансированность системы предполагает наличие обратной последовательности, которая отрицательно сказывается на работе 3-фазных нагрузок, особенно асинхронных машин.
|
Из рис. 1 видно, что подавляющее большинство нарушений (около 87%) продолжались менее 1 с и только 12 имели длительность более 1 мин. Очевидно, что не все эти нарушения приводят к сбоям в работе оборудования, но они могут воздействовать на многие типы чувствительного оборудования.
Ещё одно исследование EPRI было проведено в период с 1993 по 1999 г., чтобы охарактеризовать качество электроэнергии в распределительных сетях низкого напряжения. Это исследование показало, что 92% нарушений качества электроэнергии пришлись на провалы напряжения с величиной падения напряжения до 50% и длительностью до 2 с. На рис. 2 показано типовое распределение провалов до 0,5 с микропрерываниями.
Ситуация в развитых странах Европы очень похожа на наблюдаемую в США. На рис. 3 показаны результаты мониторинга качества электроэнергии в промышленном районе в центре Португалии в период с февраля 2002 г. по январь 2003 г.
Издержки, связанные с проблемами качества электроэнергии
Величины издержек, связанных с проблемами качества электроэнергии, зависят от нескольких факторов, основным из которых является вид деятельности. Другие факторы, такие как наличие, на предприятии чувствительного оборудования и рыночные условия, в числе прочих также влияют на величину издержек.
А. Факторы, влияющие на оценку издержек, связанных с проблемами качества электроэнергии
Издержки, связанные с нарушениями качества электроэнергии, могут быть разделены на следующие.
1) Прямые издержки.Это издержки, которые непосредственно связаны с нарушением качества электроэнергии. Они включают в себя затраты, связанные с повреждением оборудования, потери продукции и сырья, затраты на заработную плату за период простоя и затраты на повторный запуск производства. Иногда во время простоя достигается некоторая экономия, например, энергии, которая должна быть учтена при определении издержек. Некоторые нарушения качества электроэнергии не приводят к остановке производства, но имеют следствием другие расходы, например, при снижении производительности и уменьшении срока службы оборудования.
2) Косвенные издержки. Эти издержки оценить очень трудно, как, к примеру, в случае, когда из-за некоторых проблем и простоев компания может сорвать сроки поставки и лишиться будущих заказов. К косвенным издержкам можно отнести инвестиции для предотвращения возникновения проблем, связанных с качеством электроэнергии.
3) Нематериальные издержки. Некоторые издержки, связанные с нарушением энергоснабжения, невозможно выразить в деньгах, например, невозможность слушать радио или смотреть телевизор. Единственным способом учесть эти издержки может быть определение суммы, которую потребитель готов потратить, чтобы избежать подобных неудобств.
В. Оценки издержек, связанных с проблемами качества электроэнергии
Для оценки издержек потребителей, связанных с проблемами качества электроэнергии, было проведено несколько исследований. Определение точных величин практически невозможно, поэтому эти исследования основаны на оценках. Некоторые их результаты приведены ниже.
1) Business Week (1991). Издержки, связанные с качеством электроэнергии в США, оценены в 26 млрд. долларов в год.
2) EPRI (1994). В этом исследовании говорится об издержках, связанных с качеством электроэнергии в США, в сумме 400 млрд. долларов в год.
3) Министерство энергетики США (1995). Издержки, связанные с качеством электроэнергии в США, были оценены в 150 млрд. долларов в год.
4) Fortune Magazine (1998). Установлено, что издержки в США, связанные с качеством электроэнергии, составляют 10 млрд. долларов в год.
5) E Source (2001). Исследование, охватившее непрерывные производственные процессы, сферу финансов и пищевую промышленность в США, оценило средние годовые издержки, связанные с проблемами качества электроэнергии, в 60 - 80 тыс. долларов на одну электроустановку.
PQ costs in EU (2001). Общие издержки в промышленности и торговле в странах Европейского Союза, связанные с качеством электроэнергии, оцениваются в 10 млрд. евро в год.
Результаты оценок, приведённые в разных исследованиях, отличаются очень сильно, но один общий вывод сделать можно: издержки, связанные с качеством электроэнергии, огромны.
С. Издержки, связанные с кратковременными прерываниями
Проблемой качества электроэнергии, которая оказывает наибольшее влияние на работу предприятия, является наличие прерываний. Типовые значения издержек из-за кратковременных прерываний (1 мин.) для различных типов потребителей приведены в Таблице № 2. Эти значения приводятся без учёта крупных инвестиций для достижения способности поддержания непрерывности электроснабжения при наличии прерываний. Значения основаны на публикуемой информации и данных отдельных исследований ElectrotekConcepts.
Таблица № 2. Типовые значения издержек от кратковременных прерываний (1 мин.) в $/кВт потребляемой мощности для различных типов предприятий промышленности и сферы услуг
|
Издержки при кратковременных прерываниях, $/кВт
|
|
Промышленность
|
Мин.
|
Макс.
|
|
Производство автомобилей
|
5,0
|
7,5
|
|
Производство резины
и пластмасс
|
3,0
|
4,5
|
|
Текстильная
|
2,0
|
4,0
|
|
Бумажная
|
1,5
|
2,5
|
|
Полиграфическая
|
1,0
|
2,0
|
|
Нефтехимическая
|
3,0
|
5,0
|
|
Машиностроение
|
2,0
|
4,0
|
|
Стекольная
|
4,0
|
6,0
|
|
Горнодобывающая
|
2,0
|
4,0
|
|
Пищевая
|
3,0
|
5,0
|
|
Фармацевтическая
|
5,0
|
50,0
|
|
Электронная
|
8,0
|
12,0
|
|
Производство полупроводников
|
20,0
|
60,0
|
|
Сфера услуг
|
Мин.
|
Макс.
|
|
Связь, обработка данных
|
1,0
|
10,0
|
|
Больницы, банки, государственное управление
|
2,0
|
3,0
|
|
Рестораны, бары, отели
|
0,5
|
1,0
|
|
Торговля
|
0,1
|
0,5
|
Как видно из таблицы, промышленный сектор наиболее подвержен воздействию прерываний, особенно обрабатывающая промышленность с непрерывным производственным циклом. В сфере услуг наиболее уязвимым видом деятельности является связь и обработка данных.
Величина издержек от наличия прерываний также зависит от их длительности. На рис. 4 показана зависимость величины издержек при наличии прерываний от длительности прерываний.
Решения проблем качества электроэнергии
Смягчение проблем качества электроэнергии может быть достигнуто на различных уровнях: передача, распределение и использование оборудования конечного пользователя. Как показано на рис. 5, на этих уровнях могут быть приняты различные меры.
Надлежащее состояние сети. Распределённые энергоресурсы и системы аккумулирования энергии
Многие проблемы качества электроэнергии возникают в сети передачи и распределения. Поэтому для минимизации проблем качества электроэнергии важным является правильное проектирование и надлежащее обслуживание сети.
В последние годы значительно возрос интерес к распределённым энергоресурсам из-за их возможностей по увеличению надёжности энергоснабжения. Эти ресурсы включают в себя распределённую генерацию и системы аккумулирования энергии.
Системы аккумулирования энергии (технологии восстановления) используются для поддержания непрерывности электроснабжения нагрузок в условиях плохого качества электроэнергии.
Последние достижения в областях силовой электроники и технологий аккумулирования привели к тому, что технологии восстановления стали одним из лучших решений для уменьшения проблем качества электроэнергии.
Первой технологией аккумулирования энергии, использованной в области качества электроэнергии и наиболее часто используемой в настоящее время, является применение электрохимических батарей. Несмотря на появление новых технологий, таких как инерционные накопители (маховики), суперконденсаторы, сверхпроводящие индуктивные накопители (СПИН), которые имеют много преимуществ, электрохимические батареи по-прежнему преобладают благодаря их низкой стоимости и развитости технологии.
А. Маховики
Маховик – это электромеханическое устройство, которое сочетает в себе вращающуюся электрическую машину (двигатель/генератор) с вращающимся телом большой массы для кратковременного аккумулирования энергии. Двигатель/генератор обеспечивает вращение ротора устройства за счёт энергии сети. При нарушении питания кинетическая энергия, запасённая в роторе, с помощью генератора преобразуется в электрическую энергию постоянного тока, и эта энергия выдаётся через преобразователь и систему управления с постоянными частотой и напряжением. На рис. 8 изображена схема маховика и показаны основные преимущества такой системы.
Традиционные роторы маховика обычно изготавливаются из стали и имеют ограничения скорости вращения на уровне нескольких тысяч оборотов в минуту. Современные маховики, изготовленные с применением углеродного волокна и магнитных подшипников, могут вращаться в вакууме со скоростью 40 000 – 60 000 об/мин. Величина аккумулируемой энергии пропорциональна моменту инерции и квадрату скорости вращения, поэтому высокоскоростные маховики могут запасать гораздо больше энергии, чем обычные.
Маховик обеспечивает питание в течение периода времени между пропаданием энергии от поставщика и возобновлением её подачи или запуском системы резервного питания (например, дизель-генератора). Время поддержания энергоснабжения с помощью маховика обычно составляет 1 – 100 с, а резервные генераторы могут быть готовы к работе через 5 – 20 с.
В. Суперконденсаторы
Суперконденсаторы (или ультраконденсаторы) – это источники энергии постоянного тока. Они должны подключаться к сети с помощью статического устройства обеспечения качества электроэнергии, которое выдаёт энергию на частоте сети. Суперконденсатор обеспечивает питание во время кратковременных прерываний или провалов напряжения.
Суперконденсаторы средней величины (1 МДж) являются коммерчески доступными для реализации непрерывности электроснабжения маломощного электронного оборудования. Большие суперконденсаторы в настоящее время находятся в стадии разработки, но могут скоро стать реальным компонентом систем аккумулирования энергии.
Большая величина ёмкости достигается за счёт очень малого расстояния между обкладками (несколько ангстрем) и большой площади поверхности проводника (к примеру, активированного углерода), которая достигает 1500 – 2000 м2/г (16 000 – 21 500 фт2/г). Поэтому величина запасаемой энергии в таких конденсаторах может достигать 50 – 60 Дж/г.
С. Сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН)
При циркуляции постоянного тока в замкнутой катушке из сверхпроводящего проводника создаётся магнитное поле. Ток, протекающий через катушку, может прерываться с помощью бесконтактного коммутатора. Благодаря высокой индуктивности катушки при размыкании ключа она становится источником тока и может питать преобразователь, который будет вырабатывать напряжение с определённым уровнем. При соответствующей модуляции бесконтактного коммутатора на преобразователе будет поддерживаться напряжение в пределах заданного диапазона, которое затем будет преобразовано из постоянного в переменное.
Коммерчески доступными являются низкотемпературные системы СПИН, охлаждаемые жидким гелием. Высокотемпературные системы СПИН с охлаждением жидким азотом в настоящее время находятся в состоянии разработки и могут в будущем стать коммерчески жизнеспособными аккумуляторами энергии из-за потенциально более низкой стоимости.
Системы СПИН имеют высокую мощность, они обычно используются в течение короткого времени, например, при переключении источников энергоснабжения.
D. Сравнение систем аккумулирования энергии
На рис. 11 приводится сравнение различных технологий аккумулирования энергии с точки зрения удельной мощности и удельной энергии.
Высокоскоростные маховики находятся примерно в одном ценовом диапазоне со СПИН и суперконденсаторами и примерно в 5 раз дороже низкоскоростных маховиков из-за более сложной конструкции и ограниченной номинальной мощности. Электрохимические батареи имеют более проработанные технологии и простую конструкцию. При времени хранения менее 25 с низкоскоростной маховик может быть более эффективным по сравнению с батареей.
Распределённые ресурсы. Распределённая генерация
Устройства распределённой генерации могут использоваться для обеспечения критических нагрузок качественной энергией, изолируя их от возмущений, возникающих в сети. Устройства распределённой генерации могут также использоваться в качестве резервных генераторов для обеспечения питания критических нагрузок при длительных отключениях энергоснабжения. Кроме того, они могут применяться для управления нагрузкой с целью снижения пикового потребления.
В настоящее время преобладающей технологией распределённой генерации являются поршневые машины, но по мере развития технического прогресса становятся более привлекательными другие технологии, в частности, микротурбины и топливные элементы (см. Таблицу № 3).
Таблица № 3. Развитие технологий распределённой генерации
|
Поршневые машины
|
Микротурбины
|
Топливные элементы
|
|
Период времени
|
продолжают использоваться
|
начинают внедряться
|
с 2000-х
|
|
Применение
|
аварийное/
резервное питание
|
ограничение пиков
нагрузки и
качество электроэнергии
|
основное питание
и качество
электроэнергии
|
|
Экономические факторы
|
300 – 600 $/кВт
Кпд – 33 - 45%
утилизация – менее 5%
15 – 30 центов/кВт∙ч
|
750 $/кВт
Кпд – 20 - 30%
утилизация ~ 20%
10 - 15 центов/кВт∙ч
|
1000* - 4000 $/кВт
Кпд - 45-60%
утилизация – более 80%
5*центов/кВт∙ч
* прогнозируется
|
Если устройства распределённой генерации должны использоваться в качестве резервного питания, для питания нагрузки в период времени между нарушением питания и запуском аварийного генератора должно использоваться устройство аккумулирования энергии.
Наиболее распространённым решением является сочетание ИБП на электрохимических батареях и дизельной генераторной установки. В настоящее время также популярным решением, предлагаемым многими производителями, становится объединение в одном устройстве маховика и дизельной генераторной установки.
Устройства сопряжения для улучшения качества электроэнергии
Кроме систем аккумулирования энергии и распределённой генерации для решения проблем качества электроэнергии могут использоваться и другие устройства.
При использовании правильно выбранного устройства сопряжения можно оградить нагрузки от возмущений, поступающих из сети.
A. Устройство динамического восстановления напряжения
Устройство динамического восстановления напряжения (DVR) действует как источник напряжения, подключенный последовательно с нагрузкой. Принцип работы наиболее распространённых DVR подобен принципу работы устройства, изображённого на рис. 7. Выходное напряжение DVR поддерживает примерно постоянный уровень напряжения на выводах нагрузки путём использования повышающего трансформатора и/или аккумулированной энергии для введения активной и реактивной мощности на выход источника питания через преобразователь напряжения.
B. Устройства подавления перенапряжений при переходных процессах
Устройства подавления перенапряжений при переходных процессах используются в качестве устройств сопряжения между источником электроэнергии и чувствительными нагрузками. В этих устройствах напряжение переходного процесса ограничивается, прежде чем попадает на нагрузку. Устройства подавления перенапряжений при переходных процессах обычно содержат компонент с нелинейным сопротивлением (металлооксидный варистор или стабилитрон), который ограничивает повышенное напряжение линии и отводит лишнюю импульсную энергию на землю.
C. Феррорезонансный стабилизатор напряжения
Феррорезонансный стабилизатор был одним из первых решений для устранения воздействия провалов напряжения и переходных процессов. Для поддержания постоянного уровня напряжения в нём используются два явления, которых обычно стараются избегать: резонанс и насыщение сердечника.
При возникновении резонанса ток будет увеличиваться до достижения насыщения сердечника трансформатора. После насыщения сердечника магнитный поток будет оставаться постоянным, и трансформатор будет выдавать стабильное напряжение.
При неправильном использовании такое устройство будет создавать больше проблем качества электроэнергии, чем решать. Оно может являться источником переходных процессов, гармоник (волна напряжения обрезается сверху и по бокам), а также имеет невысокий кпд (около 80% при полной нагрузке). Применение такого устройства становится редкостью в связи с техническими достижениями в других областях.
D. Фильтры шума
Фильтры шума используются для предотвращения попадания на чувствительное оборудование сигналов тока или напряжения, содержащих нежелательные частоты (шум). Это может быть достигнуто с помощью сочетания конденсаторов и индуктивностей, которые создают низкий импеданс для основной частоты и высокий импеданс для высоких частот, то есть формируют фильтр нижних частот. Они должны использоваться при значительном уровне шума в килогерцовом диапазоне.
E. Изолирующие трансформаторы
Изолирующие трансформаторы используются для предотвращения попадания на чувствительные нагрузки из сети сигналов переходных процессов и шумов. В некоторых случаях (соединение треугольник-звезда) изолирующие трансформаторы предотвращают попадание гармоник, производимых нагрузкой, в вышестоящий трансформатор.
Особенностью изолирующих трансформаторов является наличие заземлённого экрана из немагнитной фольги между первичной и вторичной обмотками. Шумы или сигналы переходных процессов, которые поступают от источника, через ёмкость между первичной обмоткой и экраном отводятся на землю и не передаются в нагрузку.
F. Статические компенсаторы реактивной мощности
В статических компенсаторах реактивной мощности (СКРМ) для быстрого регулирования напряжения используется схема, состоящая из конденсаторов и реакторов. Для предотвращения колебаний напряжения бесконтактные ключи управляют подключением конденсаторов и реакторов требуемой величины. Основным применением СКРМ является стабилизация высокого напряжения и устранение фликера, возникающего из-за мощных нагрузок (например, индукционных печей).
G. Фильтры гармоник
Фильтры гармоник используются для снижения уровня нежелательных гармоник. Имеются два типа фильтров: пассивные и активные.
Пассивные фильтры (рис. 17, слева) представляют собой низкий импеданс для частот гармоник, который формируется с помощью пассивных компонентов (индуктивностей, конденсаторов и резисторов). Для устранения нескольких гармонических компонентов может потребоваться параллельное подключение нескольких фильтров. При изменении параметров системы (изменении параметров гармонических компонентов) пассивные фильтры могут стать неэффективными и вызвать резонанс.
Активные фильтры (рис. 17, справа) анализируют ток нагрузки и генерируют ток, который компенсирует ток гармоник, создаваемый нагрузками. Активные фильтры в прошлом были дорогими, но сейчас они становятся экономически эффективными при компенсации гармоник с неизвестными или меняющимися параметрами.
Разработка правил и стандартов
Для установления минимального уровня качества электроэнергии, который поставщики электроэнергии должны обеспечивать для потребителей, а также для установления уровня иммунитета для оборудования, которое должно нормально работать, если параметры питания соответствуют стандартам, были приняты определённые меры.
Важным шагом в этом направлении явилось создание кривой CBEMA (рис. 18), разработанной Ассоциацией производителей вычислительного и технологического оборудования. Этот стандарт определяет минимальную стойкость компьютерного оборудования к провалам напряжения, микропрерываниям и перенапряжениям.
Эта кривая, хотя и была недавно заменена кривой ITIC Совета индустрии информационных технологий (рис. 19), по-прежнему является основным ссылочным материалом в области качества электроэнергии. Если величина напряжения находится в пределах затемнённой зоны, оборудование должно работать нормально. Если величина напряжения находится ниже допустимой зоны, оборудование может работать неправильно или отключиться. Если величина напряжения находится выше разрешённой зоны, кроме сбоев в работе оборудования могут возникнуть также его повреждения.
Другие организациями по стандартизации (МЭК, CENELEC, IEEE и т.п.) разработали ряд стандартов с теми же целями. В Европе наиболее важными стандартами в области качества электроэнергии являются EN 50160 (CENELEC) и МЭК 61000.
Таблица № 4. Наиболее важные параметры, заданные европейским стандартом EN 50160:2001
|
Характеристики
|
Пределы
|
|
Частота
|
должна оставаться в пределах от
49,5 (-1%)до 50,5 (+1%)Гц.
|
|
Напряжение
|
напряжение должно быть в пределах от
90%до 110% от номинального напряжения.
|
|
Небаланс напряжения
|
обратная последовательность должна составлять не более 2%от прямой последовательности.
|
|
Гармоники напряжения
|
КГИ менее 8%
V3 менее 5,0%
V5 менее 6,0%
V7 менее 5,0%
|
Повышение устойчивости конечных устройств
Разработка оборудования, малочувствительного к возмущениям, как правило, является наиболее экономически эффективной мерой по исключению влияния проблем качества электроэнергии. Некоторые производители конечного оборудования теперь признают эту проблему, но конкурентный рынок требует от производителей снижать стоимость и только отвечать на требования потребителей. Исключение составляет рынок регулируемых приводов, где производители активно продвигают продукты с повышенной возможностью работы при прерываниях энергоснабжения.
Меры, которые должны быть приняты производителями для снижения чувствительности оборудования к проблемам качества электроэнергии: это установка дополнительного конденсатора с увеличенной ёмкостью в источнике питания, использование кабелей с увеличенным сечением проводника нейтрали и снижение мощности трансформаторов и регулировка реле пониженного напряжения.
Подведем итоги
Наличие электроэнергии с высоким качеством имеет решающее значение для жизнедеятельности современного общества. Для некоторых секторов качество электроэнергии, которое обеспечивают поставщики, является удовлетворительным, некоторые другие предъявляют более высокие требования.
Чтобы избежать больших потерь, связанных с качеством электроэнергии, наиболее требовательные потребители должны принимать определённые меры защиты. Важную роль играет выбор менее чувствительного оборудования. Если даже самое устойчивое оборудование подвергается воздействию, должны быть приняты другие меры для защиты от проблем качества электроэнергии, такие как использование технологий восстановления, распределённой генерации или устройств сопряжения.
