Теория и практика измерения параметров качества электроэнергии

Введение

С начала развития энергетики вплоть до 80-х годов прошлого века проблемы качества электропитания и связанных с этим многих явлений практически не существовало. Большинство потребителей имели линейный характер потребления, для привода машин применялись двигатели без инверторных систем. Существующие немногочисленные нелинейные потребители работали, как правило, в выделенных сетях, так что их влияние на электроэнергетическую систему было незначительным.

Но бурное техническое развитие 90-х и двухтысячных годов, а также снижение экономических и политических барьеров привело к модернизации существующего оборудования. Начался необратимый процесс включения в систему оборудования, которое имело несколько циклов преобразования поступающей электроэнергии. В связи с этим все чаще двигатели управляются с помощью инверторов, которые позволяют не только плавно изменять скорость вращения двигателя, но и дают возможность легко интегрировать любой элемент в общую систему технологической линии, управляемой с компьютера.

В домашнем хозяйстве кроме лампочки и электрического чайника мы имеем дело с микроволновой печью, компьютером, устройствами аудио и видео, которые потребляют из сети значительно искаженный ток, а фазовый инвертор имеется даже в пылесосе или миксере. В административных зданиях тысячи ламп потребляют ток с уровнем искажения свыше 150%, а офисное оборудование — копировальные аппараты, компьютеры, блоки бесперебойного питания, кондиционеры — в большинстве своем являются источником значительных искажений.

Качество электропитания

Проблемы, причиной которых является плохое качество электропитания, являются чрезвычайно важными и способны сильно осложнить жизнь потребителей электроэнергии, причиняя им значительные материальные убытки. К наиболее важным факторам, связанными с качеством электроэнергии, относятся:

• появление в электросети высших гармоник;
• провалы и прерывания напряжения;
• кратковременные события большой амплитуды — перенапряжения;
• мерцание света (flicker);
• асимметрия.

Как уже было упомянуто выше, причиной искажения тока и напряжения в сети являются нелинейные потребители, использующие несинусоидальный ток. Наиболее часто встречаемыми нелинейными потребителями являются:

• приводные устройства — инверторы, системы мягкого запуска двигателей, управляемые и неуправляемые выпрямители, блоки питания постоянного тока;
• электротермические устройства — индукционные печи повышенной частоты, дуговые печи, индукционные нагреватели, сварочные аппараты, электросварочные станы (для листового железа, пленки и т.п.), микроволновые установки, лазеры;
• осветительное оборудование — газоразрядные лампы, лампы с изменяемой частотой (компактные люминесцентные лампы), дуговые лампы;
• устройства общего использования — радиоприемники, аудио-видео устройства, компьютеры, принтеры, микроволновые печи;
• офисное оборудование — рабочие станции, серверы, мониторы, UPS, ксероксы, кондиционеры.

Высшие гармоники в сети

Все устройства, упомянутые ранее, потребляя ток нелинейным способом, приводят к возникновению гармоник, и таких устройств становится с каждым днем больше.

Практика свидетельствует, что гармоники с кратностью выше 20 появляются очень редко и обычно незначительны, поэтому в качестве стандарта для анализирующих устройств принимается 25 в качестве максимальной кратности гармоник, хотя имеются анализаторы, способные регистрировать гармоники, кратные 50 и выше.

Высшие гармоники могут вызывать неблагоприятные явления в электросети:

• перегрев проводов или нейтральных шин;
• потери в трансформаторах вплоть до их повреждения;
• в системах компенсации мощности могут возникнуть повреждения конденсаторов, что при резонансе приводит к взрыву таких элементов;
• потери в двигателях, связанные не только с потерями энергии, но и с более быстрым механическим износом;
• проблемы коммутации, особенно для устройств защитного отключения (УЗО);
• неправильная работа электронных устройств вплоть до их повреждения;
• проблемы с пересылкой и преобразованием данных.

Рис.1 Протекание искаженного тока через люминесцентную лампу.

Провалы напряжения

Провалами напряжения являются кратковременные понижения величины напряжения. Пороговым значением для провала напряжения принимают 10% от номинального напряжения сети. Продолжительность такого явления условно определяется в пределах от 10 мс до 1 мин. Причиной возникновения таких падений напряжения главным образом является подключение потребителей большой мощности в пределах электросети, как со стороны потребителя, так и со стороны поставщика электроэнергии. Это явление случается тем чаще, чем больший импеданс линии (например, в сельской местности, где имеются воздушные линии низкого напряжения с малым поперечным сечением, при одновременном увеличении потребляемой мощности). Реже причиной падений напряжения являются короткие замыкания, возникающие как в распределительных, так и в потребительских электросетях.

Мерцание света (Flicker)

Английское слово flicker означает мигание (мерцание). Применительно к проблемам, связанным с качеством электроэнергии, оно обозначает явление периодического изменения светового потока в результате изменения напряжения питания освещения. Это явление вызывает ухудшение самочувствия, раздражение, иногда головные боли, то есть вызывает дискомфорт и снижение эффективности работы у человека. Исследования показали, что максимальная нагрузка возникает при частоте, равной около 9 изменениям освещенности в секунду. Наиболее чувствительными источниками света являются традиционные лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Наибольшей «стойкостью» к мерцанию характеризуются флуоресцентные лампы. Мерцание света является главным образом результатом падений напряжения в результате подключения и отключения нагрузок большой мощности, и определенный уровень мерцания присутствует в большинстве электросетей. В рамках определения параметров качества электроэнергии применяют два показателя для характеристики мерцания света: кратковременная доза фликера Pst, измеренная в интервале времени 10 минут, и длительная доза фликера Plt, измеренная в интервале времени 2 часа, в точке передачи электрической энергии.

Для указанных показателей установлены следующие нормы: кратковременная доза фликера Pst не должна превышать значения 1,38, длительная доза фликера Plt не должна превышать значения 1,0 в течение 100% времени интервала в одну неделю.

Асимметрия

Асимметрия является понятием, связанным с трехфазными сетями и может относиться:

• к асимметрии напряжений питания;
• к асимметрии токов нагрузки.

Асимметрия напряжений (токов) возникает в трехфазных сетях, когда значения трех составляющих напряжений (токов) отличаются между собой и/или углы между отдельными фазами отличаются от 120°.

Наиболее частым источником асимметрии является неравномерная нагрузка на отдельные фазы. Хорошим примером является подключение к трехфазной сети больших однофазных нагрузок, таких как железнодорожные тяговые двигатели, дуговые печи. В нормальных условиях, например, в упомянутых сетях низкого напряжения в сельской местности асимметрия может усиливать падения напряжения.

Эти явления особенно опасны для трехфазных двигателей, в которых даже незначительная асимметрия напряжений может вызвать во много раз большую асимметрию токов. В таких условиях вращающий момент двигателя уменьшается, и увеличиваются тепловые потери в обмотках и механический износ. Асимметрия также неблагоприятно отражается на питающих трансформаторах.

Рис.2 Анализатор качества электроэнергии PQM-701

Представленные выше явления — это часть проблем, связанных с качеством электропитания. Для того чтобы исключить угрозы безопасности эксплуатации электрических сетей и питаемого ими оборудования, мы должны определить явления, имеющие место в этой же сети, и дать им правильную интерпретацию. Для того чтобы это сделать, необходимо иметь соответствующие инструменты для диагностики. Таким инструментом является анализатор PQM-701.

Измеритель предназначен для очень широкого круга потребителей, которым необходимо контролировать качество электрической энергии с использованием переносного оборудования. Он предназначен для использования в сетях с номинальными напряжениями от 110 В до 690В. Также имеется возможность подключения с использованием трансформаторов напряжения. Он может работать в однофазных, двухфазных сетях с общей нейтралью N, трехфазных сетях (схема звезда, треугольник). Таким образом, PQM-701 является прибором, который может найти применение как для энергосистем общего пользования, служб технического обслуживания и эксплуатации промышленных предприятий, так и среди лиц, предоставляющих сервисные услуги по анализу качества электросети.

Анализатор размещен в простом, но при этом надежном корпусе со степенью защиты IP65. Конструкция корпуса позволяет устанавливать анализатор практически в любых условиях как внутри, так и снаружи помещений. Измеритель оснащен встроенным нагревателем, который автоматически включается, когда температура внутри измерителя опустится ниже 0°C. Благодаря этому обеспечиваются оптимальные условия для работы электронных систем анализатора, что позволяет работать при температурах до −20°С без учета дополнительной погрешности по температуре. Специальные ремешки, которые входят в комплект, позволяют закреплять прибор, например, на столбе. Также можно воспользоваться специальным крепежом на DIN-рейке.

Анализатор имеет пять разъемов подачи входных напряжений, обозначенных L1/A, L2/B, L3/C, N и PE, при этом вход N (нейтральный провод) является общим. Диапазон напряжений, измеряемых в четырех измерительных каналах, составляет ±1150 В. Для измерения токов служат четыре входа, к которым можно подключить несколько видов токоизмерительных клещей. Среди них имеются гибкие клещи F-1, F-2, F-3 с номинальным диапазоном 3000 A (отличающиеся только максимальным диаметром обхвата), а также жесткие токоизмерительные клещи C-4 (диапазон 1000 A AC), C-5 (диапазон 1000 A AC/DC) и C-6 (диапазон 10 A AC).

Прибор оснащен съемной картой памяти типа SD (англ. Secure Digital) большой емкости. После окончания измерений карту памяти можно вынуть из разъема анализатора и использовать внешнее устройство чтения карт SD совместно с прилагаемым программным обеспечением для максимально быстрой передачи данных в компьютер. Данные также можно считать с помощью двух каналов передачи данных: USB или радиоканала.

Анализатор качества электроэнергии PQM-701 является технически совершенным продуктом, позволяющим выполнять всесторонние измерения, анализ и регистрацию параметров электрических сетей 50 Гц, а также анализировать качество электрической энергии согласно ГОСТ Р 54149 — 2010, ГОСТ Р 51317.4.30-2008, ГОСТ Р 51317.4.7-2008. PQM-701 регистрирует пик-факторы для тока и напряжения, частоту в диапазоне от 40 Гц до 70 Гц, активную, полную, реактивную мощность, вместе с определением ее характера (емкостная либо индуктивная). Очевидно, что такие параметры, как активная, реактивная, полная энергия, коэффициент мощности (Power Factor), cosφ и tgφ также регистрируются. Регистрируются такие величины как степень перегрузки трансформатора, обусловленная гармоническими помехами (K), гармоники тока и напряжения (до 50-ой гармоники), коэффициент гармонических искажений (THD) по току и напряжению, длительная и кратковременная доза фликера, асимметрия напряжений и токов. Регистрируются также все события, такие как провалы, перенапряжения и прерывания напряжения вместе с осциллограммами (также и для токов). За каждый период усреднения измеритель может регистрировать осциллограммы для тока и напряжения. Все упомянутые возможности позволяют выполнять всесторонний анализ явлений в исследуемой электрической сети.

PQM-701 поставляется в комплекте со всеми необходимыми проводами для подключения и питания (питание с фазы L-1). В комплект входят зажимы «крокодил», провод для передачи данных, карта памяти SD, кабель USB, кейс для транспортировки, комплект для крепления прибора на столбе, программное обеспечение, а также адаптер OR-1 для беспроводной передачи данных. Аккумулятор, обеспечивающий работу устройства в случае исчезновения напряжения на фазе L1, встроен внутрь устройства. В связи с широкой гаммой токоизмерительных клещей, они поставляются как дополнительное оборудование, которое пользователь выбирает в зависимости от своих потребностей. Можно выбрать клещи: C-4 до 1000 A AC, C-5 до 1000 A AC/DC, C-6 до 10 A AC, а также гибкие клещи: F-1 (∅40 см), F-2 (∅25 см), F-3 (∅12 см) до 3 кА AC.

Рис.3 PQM-701 в комплекте со стандартными аксессуарами

Ключевым элементом, обеспечивающим работу устройства при выполнении регистрации и анализа данных, является программное обеспечение Sonel Analysis. Программа позволяет, как конфигурировать отдельные измерительные функции и анализировать накопленные в процессе измерений данные, так и наблюдать за текущими параметрами сети с помощью измерителя.

Программа позволяет выполнять полное конфигурирование анализатора с учетом регистрируемых параметров. На программном уровне можно задать режим запуска регистрации, создать расписание включений и выключений регистрации прибора, а также установить распределение памяти для отдельных конфигураций измерения.

Абсолютно независимо от выполняемого процесса регистрации и выбранных в режиме конфигурации параметров, имеется возможность просмотра в реальном времени многих величин, которые измеряются анализатором PQM-701:

• графики тока и напряжения для отдельных фаз;
• график значений тока и напряжения как функция времени для отдельных фаз;
• значения всех параметров в табличной форме, измеряемых PQM-701;
• смещения напряжений и токов, представленные на векторной диаграмме;
• гармоники токов и напряжений до 50-ой.

Главной целью программы является считывание данных с измерителя и их анализ. Пользователю предлагается возможность просмотра данных измерений в табличном виде, просмотра событий вместе с их осциллограммами, а также создания отчетов и формирование различных графиков.

Экран событий предоставляет пользователю широкие возможности для анализа всех выбранных событий. Программа имеет возможность печати отчетов и графиков. В случае, когда за период регистрации записано большое количество событий, имеется возможность обозначить маркером только те из них, которые существенны для пользователя.

Рис.4 Конфигурация анализатора.	Рис.5 Осциллограммы тока и напряжения.
Рис.6 Данные измерений.	Рис.7 Осциллограммы события.

Подведение итогов

PQM-701 вместе с программным обеспечением является эффективным инструментом для применения во всех областях электроэнергетики: как в энергосистемах общего пользования, так и на промышленных предприятиях. Стойкий к воздействию внешних факторов, легкий в обслуживании и с дружественным интерфейсом, он представляет собой прекрасную альтернативу уже имеющемуся на рынке оборудованию, особенно с учетом ввода в действие с 2013 года новых стандартов по качеству электроэнергии.