Мониторинг и анализ качества электроэнергии

Вместо введения

Сегодня большинству компаний ничего не остаётся, как постоянно стремиться к тому, чтобы повышать свою прибыльность. Для этого им приходится повышать производительность своего труда, ещё более эффективно использовать активы и т.д. Помимо всего прочего, нужно выполнять множество разнообразных работ, связанных с затратой меньших ресурсов, к которым относятся время, материалы и, конечно, персонал.

Понятно, что достигают своих целей все по-своему, однако можно с уверенностью говорить о том, что без использования современного оборудования это просто невозможно. Это, прежде всего, информационная и технологическая техника, а именно сети и средств связи и персональные компьютеры, в повседневном обращении часто называемые просто ПК.

Всё это требует более интенсивного потребления электрической энергии, которое, в свою очередь, ведёт к необходимости внедрения в работы более эффективных источников питания, программируемых логических контроллеров и т.д. А ведь они могут выступать в качестве источников и жертв ряда неисправностей, так или иначе возникающих в электрических системах. Решая большой спектр проблем, связанных с описанной выше ситуацией, компании, получается, берут на себя часть, а то и все работы, направленные на проведение срочного и профилактического обслуживания. Но это не ограничивает работу специализированных сервисных организаций, которые ориентированы на те же действия, но проводящие их силами меньшего числа персонала и гораздо быстрее.

Следует отметить, что многие подобные работы вызваны проблемами, прямо или косвенно связанными с распределительной электрической сетью или же качеством поставляемой электроэнергии. Поэтому, понимая базовые принципы протекающих явлений в области электроэнергии, специалисты компаний смогут лучше обслуживать своё электрическое хозяйство, а значит, их компании смогут быстрее и качественнее достигать коммерческих целей, которые были перед ними поставлены.

Основы основ или базовые электрические законы

На Рис. 1 показана идеальная синусоида, отражающая некий сигнал частотой 50 Гц. Однако современные электрические системы не характеризуются подобными идеалами напряжения или тока. Как правило, они не идеальны.

Поэтому вводится понятие гармоник, под которыми понимаются такие частоты, которые являются кратными заданной основной частоте. То есть если мы имеем дело с частотой в 50 Гц, то её гармониками будут значения в 100, 150, 200 Гц и более. Рис. 2 отражает более реальную картину, характерную для источников питания персональных компьютеров, лазерных принтеров и других приборов. Как видно из рисунка, они потребляют ток не на протяжении всей синусоиде, а только в течение какой-то её части. Это явление приводит к появлению периодических токов, а они, в свою очередь, начинают искажать гармонику напряжения.

Зная два основных закона, можно решить основные проблемы по качеству электрической энергии. Первый такой закон – это закон Ома, по которому производимое напряжение определяется, как ток, помноженный на сопротивление. В формульном выражении он выглядит так U=IR.

Если выразить из данной формулы ток, то получится I=U/R. То есть ток определяется напряжением, поделенным на сопротивление. В качестве сопротивления может выступать как простое активное сопротивление, называемое ещё резистивным, так и комплексным Z, которое является нелинейным (примером такого сопротивления может быть индуктивное сопротивление, которое имеет разные значения амплитуда и фазы при разных значениях частот).

Данный закон можно применять не только в отношении основной, так называемой, фундаментальной, частоты. Он вполне подходит и под любые другие частоты. К примеру, если взять периодические значения тока, напряжения и сопротивления, то умножение первого на третье даст второе.

В качестве второго закона выступает закон Кирхгофа, согласно которому сумма падения напряжения, выполненная по замкнутому кругу, сводится к нулю. На Рис. 3 представлена наглядная иллюстрация этого закона.

На рисунке изображена однофазная цепь, имеющая одну единственную нагрузку. По ней протекает ток IL. Он начинает своё движение от источника напряжения, обозначенного как US, далее он преодолевает сопротивление всё того же источника напряжения ZS и так называемое нагрузочное сопротивление, обозначенное как ZS.

Сопротивление источника напряжения – это ни что иное, как сумма всех значений сопротивлений, начиная от трансформатора и заканчивая проводами. Если перемножить значения IL и ZS, то получится величина падения напряжения UZ. Что касается формулы напряжений, то она выглядит так US = UZ+UL. Логика здесь достаточно проста, ведь всё, что было выработано источником, равняется тому, что было потреблено впоследствии.

При увеличении тока, потребляемого нагрузкой (такая ситуация может возникнуть, например, при коротком замыкании или простом запуске электрического двигателя), увеличится значение тока IL. По уже известному нам закону Ома, это вызовет увеличение падения напряжения UZ. Если перегрузки при этом нет, то есть напряжение источника Us не изменилось, сумма напряжений покажет снижения напряжения на нагрузке. Обратное явление также будет верным, то есть при уменьшении тока, напряжение на нагрузке увеличится.

Зная и используя эти два закона, можно понять большинство явлений, связанных с качеством электроэнергии. К таковым относятся и упомянутые выше фликеры, и всплески напряжения, и его провалы, и переходные процессы, и многое другое.

Термины и понятия, касающиеся качества электрической энергии

Под качеством электрической энергии обычно понимаются её отклонения от нормы, иными словами возмущения. Определяется оно в терминах напряжения питания. Подобные явления делятся на три основные категории. Первая категория – это изменения действительного значения напряжения, вторая категория – это переходное напряжение, и, наконец, третья категория – искажения формы сигнала напряжения. Нетрудно заметить, что основной упор здесь делается на понятие напряжение, хотя это не совсем правильно, ведь зачастую источник проблем, связанных с качеством электроэнергии, это электрический ток.

ГОСТ 13109-97 является самым полным документом, касающимся данной темы. Его название звучит как «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В нём представлены такие основные термины, как нормы и показатели качества электрической энергии. Там же установлены основные требования, предъявляемые к погрешностям, допускаемым в ходе измерений качества электроэнергии. Этот же документ даёт необходимые разъяснения по поводу свойств электроэнергии, а также определяет круг наиболее вероятных виноватых в том, что качество электрической энергии было нарушено.

Европейским аналогичным документом является EN50160, представляющий собой оценку качеству напряжения. Американский аналог – это IEEE Std 1159 1995 Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality. В переводе с английского его название звучит как «Рекомендуемые работы при мониторинге качества электрической энергии». Также нелишним будет ознакомиться со стандартом NFPA, точнее с его главой 70B, носящей название Electrical Equipment Maintenance, то есть «Обслуживание электрического оборудования».

Изменения действительного значения напряжения

Как уже было сказано выше, первую категорию терминов напряжения питания относительно качество электроэнергии определяют изменения действительного значения напряжения, обозначаемые как RMS. Под такими изменениями, иначе говоря, вариациями, понимаются различные всплески, провалы и обрывы напряжения.

Под RMS значением понимается специальная математическая процедура, предназначенная для расчёта эффективной амплитуды сигнала (в данном случае, являющегося переменным или знакопеременным AC), который сравнивается с постоянным сигналом (DC). Иначе RMS можно определить в виде среднеквадратичного значения, которое получается следующим образом – берутся значения отсчётов сигнала и возводятся в квадрат, затем они усредняются, а из полученного результата извлекается некий арифметический квадратный корень. Значение RMS приводит к такой потере в мощности, которое сопоставимо с ситуацией, когда к обычному резистивному сопротивлению прикладывается непрерывное напряжение. Работая с искажёнными сигналами, для получения правильных отсчётов сигналов, нужно применять специальные приборы, позволяющие измерять эти самые значения RMS.

На Рис. 4 показаны основные вариация RMS значения.

Понятие провала (по-английски Sag) – это снижения уровня напряжения питания по сравнению с номинальным значением RMS до 90 процентов или даже ниже. Всплеском (или Swell), напротив, называется повышение этого самого уровня напряжения по сравнению с номинальным значением дл уровня 110 процентов и выше. И, наконец, под обрывом напряжения (interruption) обычно понимается резкое падение RMS значения до 10-процентного уровня от величины номинального значения и ниже. Вид нагрузки и величина искажения приводит к тому, что одинаковые событие могут иметь разный уровень и даже порой разный тип присутствующего искажения, а иногда встречаются и одновременное присутствие всех трёх типов искажений, представленных выше.

Как показывают современные исследования, чаще всего встречаются провалы напряжения. Источниками таких искажений чаще располагаются не на стороне потребителя, а в оборудовании. Возможными причинами могут стать провисшие или упавшие провода. Они могут навести токи больших значений, которые, в свою очередь, вызовут падение напряжения в таких проводах, как передающие и распределительные. Этот эффект будет длиться до тех пор, пока не сработают соответствующие предохранительные устройства, в роли которых обычно выступают плавкие предохранители или реле. Нетрудно сделать выводы, что значительное число провалов довольно легко идентифицировать, особенно в тех случаях, когда они длятся в течение четырёх-десяти циклов, восстановление их напряжения происходит ступенчато, а мониторинг оборудования при этом не показывает серьезных изменений тока.

Рис. 5 наглядно иллюстрирует провал в распределительной системе потребителя, устранённый прерывателем.

Обратным примером провалов являются случаи, когда местонахождением его источника является само оборудование. В этом случае причинами провалов могут стать изменения нагрузки, неправильные соединения или же какие-нибудь другие неисправности в электрической системе. Положительное или отрицательное значение провала определяется тем, какой тип нагрузки присутствует в данном случае. На Рис. 6 показан провал при пуске двигателя.

Следует помнить, что такое явление, как запуск двигателя, всегда сопровождается резким возрастанием тока. Пусковой ток примерно в шесть-десять раз превышает значение номинального его значения. В то время, как провал в таком случае, как видно из рисунка, носит противоположный характер, то есть напряжение ведёт себя так – сначала наблюдается резкое падения напряжения, а потом оно медленно, но верно начинает восстанавливаться, пока не достигнет номинального значения, что сопровождается синхронным снижением величины тока.

Чаще всего прерывание – это ни что иное, как результат тех или иных неисправностей в защитной системе на распределительной подстанции, либо на трансформаторном полюсе, либо в размыкающих реле оборудования. Прерывание возникает следующим образом – при возникновении избыточного тока для его устранения срабатывает предохранитель или прерыватель.

Отсутствие источника бесперебойного питания в этом случае и вызовет прерывание напряжения. Ещё одной причиной появления прерывания может быть плохой контакт в соединениях проводов или шин.

Что касается всплеском напряжения, то довольно часто это результат снижения тока нагрузки, которое оказалось неожиданным. Для удержания номинального напряжения в нужном диапазоне в распределительных системах часто используются автоматические переключающие трансформаторы. Они работают следующим образом – нагрузки повышается, что приводит к падению напряжения, вследствие чего трансформатор производит переключение на ту обмотку, которая имеет более высокое напряжение. В результате происходит необходимая компенсация. При падении тока нагрузки, его длительность не превышает падение напряжение на сопротивлении источника. Рост напряжения длится до тех пор, пока автоматический переключатель не успеет обнаружить это явление и принять меры, заключающиеся в переключении на обмотку, имеющую меньшее напряжение. Поскольку часто встречаются кратковременные изменения нагрузки, нужно постараться избавить автоматический переключатель от необходимости постоянного переключения. Для этого вводится понятие постоянной времени, которая позволяет реагировать только на те переключения, которые необходимы. Обычно величина постоянной времени колеблется в районе полуминуты.

Следует отметить, что рассмотренные выше всплески и провалы длятся, как правило, не долее трёх минут. Однако существуют и другие изменения RMS значения, которые обладают большей длительностью. Они относятся к условиям либо недостаточного напряжения, либо, напротив, к условиям перенапряжения. Часто это результат перегрузки источника питания. Понятно, что такие явления случаются гораздо реже более банальных всплесков и провалов. Для их корректировки обычно применяется переключающий трансформатор.

Ещё одной частой причиной возникновения прерываний и провалов являются нарушения в работе оборудования, вызывающие неполадки на стороне пользователя. Такие факторы, как восприимчивость потребителя, качество проводки, уровень взаимодействия между несколькими потребителями, определяют уровень серьёзности этих явлений. В частности, следует помнить о том, что потребители энергии могут существенно отличаться друг от друга. Скажем, датчик за пару рублей несопоставим с компьютеризированной системой, стоимость которой может достигать сотен тысяч рублей.

Переходное напряжение или переходные процессы

Переходное напряжение относится ко второй категории в классификации явлений качества электрической энергии. Оно часто называется импульсами, поскольку носит импульсный, иначе говоря, колебательный характер. Источником такого импульса может стать молния, попавшая в распределительную линию. Этот импульс вызывает сильные и кратковременные отклонения формы сигнала в каком-то одном из направлений. Длительность такого отклонения составляет порядка всего несколько микросекунд. За ним следует два менее сильных импульса, но уже в обоих направлениях. Встречающиеся в сигнале выемки, образующиеся в результате действия мгновенного короткого замыкания, как правило, имеют отношение к однополярным импульсам, то есть идущим в одном направлении.

Колебательный импульс – это ни что иное, как сигнал биение, или последующее за ним колебание. Самым часто встречающимся типов среди всех переходных процессов является переключение конденсаторов, которые компенсируют величину реактивной мощности. Законы Ома и Кирхгофа обеспечивают появление входного тока высокого значения в разряженном конденсаторе. Данное явление в итоге приводит к тому, что напряжение резко падает. Но, поскольку распределительные линии обладают индуктивной составляющей напряжения да при том ещё и высокого значения, при резком включении ёмкости высокого значения возникнут условия резонанса, правда, временные. Данная картина представлена на Рис. 7.

Следует помнить о том, что переходный процесс порой может быть даже менее опасным, чем возникающие колебания. Иными словами, повреждения, вызванные непосредственно переходными процессами, иногда бывают практически незаметными. А вот от прямого попадания молнии в проводку, которое случается довольно редко, повреждения могут быть просто-таки катастрофические. Чаще серьёзные повреждения вызывают повреждения переходов, которые могут возникнуть у диэлектриков в конденсаторах или в силовых проводниках. Эти явления приводят к серьёзным ошибкам в ходе передачи данных, а также они могут повредить данные в памяти.

Искажения формы сигнала напряжения или волновой картины

Третья категория качества электроэнергии – искажение формы сигнала напряжения или волновой картины. Оно охватывает целый ряд явлений, к которым относятся как обычные, так и промежуточные гармоники, а также выемки, ответвления постоянного тока и флуктуации напряжения.

Про то, что такое гармоники, уже было сказано выше (это частоты, кратные основной частоте), а вот про промежуточные гармоники ещё пока ничего не говорилось. Так вот, это те частоты, которые основной частоте кратными не являются. Их ещё называют интергармониками. Разновидностью промежуточных гармоник, которые обладают частотами меньшего значения, чем фундаментальная частота, являются так называемые субгармоники. Их можно заметить в таком явлении, как мерцание света. Основной источник гармонического тока – это выпрямители и инверторы, имеющие управляемый фазный угол. Их ещё нередко называют статическими преобразователями мощности. Их работа состоит в преобразовании мощности переменного тока в постоянную мощность. Иногда они ещё способны выполнять обратное преобразование, причём частота может быть как того же значения, так и иного. Сфера применения подобных устройств достаточно широкая – это персональные компьютеры, программируемые логические контроллеры и т.д.

Основным уравнением для гармоник является h = ( n*p ) +/- 1. В данной формуле h представляет собой номер гармоники, n является любым целым числом, а p – это количество импульсов в схеме. Табл. 1 содержит примеры типичных гармоник, обнаруженных в различных конвертерах.

Ситуация, когда значения выходного тока, входного напряжения или сопротивления не равны для каждого плеча, означает, что трансформатор является несбалансированным. В этом случае могут появиться новые гармоники и насыщение трансформатора при его перенапряжении. Наиболее общий источник гармоник – это флуоресцентные осветители. Это объясняется тем, что в них в качестве балластов применяются нелинейные индукторы. Большие токи, содержащие в себе и основную, и интер-, и субгармоническую составляющие, могут образоваться при сварке либо при плавке металла, выполняемой в электрической дуговой пече. Высокие значения гармонических токов или напряжений могут вывести из строя многие приборы или просто вызвать неправильную их работу. Приведём наиболее часто встречающиеся следствия таких искажений:

1. Начнём с избыточного нейтрального тока. Он приводит к перегреву нейтралей, особенно сильно это явление затрагивает трёхкратные кратные, то есть гармоники с номерами 3, 6, 9, 12 и т.д. На самом деле это гармоники обладают аддитивным характером в нейтрали трёхфазных цепей, имеющих соединение «звёзда». Данное явление объясняется тем, что при умножении гармонического числа на 120-градусный сдвиг между тремя фазами получается целое число, которое кратно 360 град. Иначе это один полный цикл. Всё это приводит к тому, что все гармоники размещаются в каждом из трёх фазных проводов, причём все они оказываются «в фазе» с нейтралью.
2. Далее нужно сказать про неисправности в конденсаторах компенсации реактивной мощности. Причины их появления – это высокие значения тока и напряжения в случае наличия линейного сопротивления.
3. Причиной появления неисправностей в подшипниках, вызванных действием токов в вале, являются неизолированные подшипники электрического двигателя.
4. Электрооборудование может неправильно работать или иметь некоторые неполадки.
5. Защитные устройства могут неправильно срабатывать. Здесь следует отметить и ложные срабатывания реле, и неисправности, возникающие в источниках бесперебойного питания. Особенно это чувствуется тогда, когда управление запускает в работе чувствительные цепи, которые пересекаются в нулевой точке.
6. Может возникнуть неправильное считывание показаний приборами. Это касается амперметров усредняющего типа, индукционных электросчётчиков дискового типа и т.д.
7. Перегреваются трансформатора, особенно это касается их дельта-обмоток, в ситуации, когда трёхкратные гармоники, сгенерированные нагрузкой трансформатора, заходят в первичной цепи в цикл. Некоторые из потерь, например, скин-эффект или потери на вихревых токах, растут по схеме квадрата от гармонического числа. Подобный эффект также встречается у осветительных балластов и соленоидальных обмоток.
8. В моторах и генераторах возникают последовательности (они касаются нулевого, отрицательного и положительного напряжения). Такие напряжения возникают на определённой частоте. Их действие заключается в попытке повернуть мотор вперёд или назад. Также они могут стремиться не поворачивать мотор, но перегревая его. Напряжения в гармониках сбалансированных систем могут быть, как нулевыми, так отрицательными и положительными. Примеры первых из них – третья, шестая и девятая, примеры вторых – вторая, пятая и восьмая, примеры третьих – первая, то есть основная, четвёртая и седьмая.
9. При нахождении субгармоник напряжения на частоте 130 Гц возникают мерцания света. Следует помнить, что наиболее чувствительным глаз человека является на частоте 8,8 Гц. В этом случае только пять процентов всех вариация остаются заметными для человека.
10. Явления снижения коэффициента мощности PF. Под этим термином понимается определённый комплексный показатель, который характеризует вносимые нагрузкой в электросеть искажения, которые могут быть линейными и нелинейными. Этот коэффициент определяется путём деления активной мощности P на полную S, которые потребляет нагрузка.