Качество электроэнергии: характеристики и измерение

На основе статьи "Качество электроэнергии: типы и Измерения",
М.А.Голкар, Электротехнический отдел,
Технологический университет Картина, Саравак, Малайзия

Качество электроэнергии: характеристики и измерение

Быстрая навигация по статье:

1. Аннотация
2. Что такое качество электроэнергии?
3. Проблемы качества электроэнергии
 3.1. Длительные колебания напряжения
 3.2. Гармонические колебания
 3.3. Импульсные помехи
 3.4. Короткие колебания напряжения
4. Измерения качества электроэнергии
 4.1. Типы оборудования для контроля качества электроэнергии
  4.1.1. Мультиметры или Цифровые мультиметры (DMM)
  4.1.2. Осциллографы
  4.1.3. Анализаторы помех
  4.1.4. Анализаторы спектра и гармонические анализаторы
 4.2. Анализ данных измерения качества электроэнергии
  4.2.1. Внезапные скачки
  4.2.2. Колебания RMS
5. Заключение

Аннотация

Качество электроэнергии — это аспект электроэнергетики, известный нам с момента создания энергетических систем. Тем не менее, темы в области качества электроэнергии поднялись на первый план с момента появления мощных полупроводниковых ключей, сетей передачи. Кроме того, тенденции в современной энергетике состоят в том, чтобы извлечь максимальную выгоду из существующей установленной системы и это также акцентировало внимание на вопросы точности синусоидальной формы сигнала, отсутствие условий высокого и низкого напряжения и другое искажение формы волны переменного тока.

В этой статье описываются типы изменений качества электроэнергии и представлены методы, характеризующие каждый тип с измерениями. Кроме того, приведены достижения в области контроля качества электроэнергии и инструменты для анализа результатов измерения качества электроэнергии. Увеличение объема собираемых данных требует более совершенных инструментов анализа.

Что такое качество электроэнергии?

Что такое качество электроэнергии?

Это вопрос без полностью принятого ответа, но, безусловно, ответ включает в себя сигналы тока и напряжения в сети переменного тока, наличие гармонических искажений, наличие пиков и кратковременных падений напряжений и другие искажения. Пожалуй, лучшим определением качества электроэнергии является такое обеспечение электроэнергией, когда потребитель успешно использует её распределительной сети без помех или прерываний. Распространенное определение качества электроэнергии граничит с понятием надежности системы, выбором диэлектриков на оборудовании и проводниках, длительными перебоями в работе, дисбалансом напряжения в трехфазных системах, силовой электроникой и их интерфейсом с электропитанием и многими другими областями. Более узкое определение фокусируется на проблемах искажения формы сигнала.

Одной из причин возобновления интереса к качеству электроэнергии на уровне распределительной сети является то, что эпоха отмены государственного регулирования вызвала вопросы о том, какие услуги электроснабжения могут быть распределены между поставщиками. Некоторые дополнительные услуги могут предоставляться некоторым клиентам на факультативной основе и за эти услуги можно взимать плату. Возможно, несколько конкурирующих сетевых компаний могут основывать свою конкуренцию на уровне качества электроэнергии. Это развивающаяся область. Кроме того, современная энергетика часто ориентирована на соотношение затрат и выгод. Индикаторы качества электроэнергии часто предоставляют способы измерения уровня электрического обслуживания и преимуществ модернизации цепей питания. Эти области привели к повышению качества электроэнергии, о чем свидетельствуют несколько новых учебников в этой сфере, один журнал, несколько конференций и ряд программ и отделов в инфраструктурах энергетических компаний.

Основные цели статьи:

  • описывают важные типы изменений качества электроэнергии;
  • определяют категории оборудования для мониторинга, которые могут использоваться для измерения изменений качества электроэнергии;
  • предлагают примеры различных методов представления результатов измерений качества электроэнергии;
  • описывают инструменты для анализа и представляют результаты измерения качества электроэнергии.

Будут описаны инструменты анализа для обработки результатов измерений. Эти инструменты могут представлять информацию как отдельные события (сигналы помех в энергосистеме), тенденции или статистические сводки. Сравнивая события с библиотеками типичных шаблонов изменения качества электроэнергии и коррелируя с системными событиями (например, переключением конденсаторов), можно определить причины изменений. Таким же образом измеренные данные должны быть сопоставлены с воздействиями, чтобы помочь определить чувствительность оборудования конечного использования к изменению качества электроэнергии. Это поможет определить оборудование, требующее кондиционирования воздуха, и предоставить спецификации для защиты, которые могут быть разработаны на основе характеристик изменения качества электроэнергии. 

Проблемы качества электроэнергии

Важно сначала понять виды изменений качества электроэнергии, которые могут вызвать проблемы с чувствительными нагрузками. Категории этих изменений должны быть разработаны с использованием последовательного набора определений, чтобы измерительное оборудование можно было конструировать согласованным образом и чтобы информация могла делиться между различными группами, выполняющими измерения и оценки. Рабочая группа Института инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) разрабатывает согласованный набор определений, которые могут использоваться для координации измерений.

Изменения качества электроэнергии подразделяются на две основные категории:
1) помехи. Помехи измеряются уровнем аномалии напряжения или тока. Переходные напряжения могут быть обнаружены, когда величина пика превышает заданный порог. Колебания RMS-напряжения (например, провалы или перерывы) могут быть обнаружены, когда среднеквадратичное отклонение превышает заданный уровень;
2) стационарные колебания. К ним относятся нормальные среднеквадратичные колебания напряжения и гармонические искажения. Эти колебания должны измеряться путем отбора напряжения и / или тока в течение времени. Эта информация лучше всего представлена в виде тенденции количества (например, искажения напряжения) с течением времени, а затем анализируется с использованием статистических методов.

В прошлом измерительное оборудование было предназначено для обработки как помех (например, анализаторы помех), так и изменений в установившемся режиме (например, регуляторов напряжения и мониторов гармонических колебаний). Благодаря достижениям в области обработки стали доступны новые инструменты, которые могут характеризовать весь спектр колебаний качества электроэнергии. Новая задача состоит в том, чтобы характеризовать все данные в удобной форме, чтобы их можно было использовать для выявления и решения проблем. 

В таблице I приведены различные варианты изменений качества электроэнергии и перечислены возможные причины для каждого типа.

Таблица I - Сводная информация о типах изменения качества электроэнергии

Помехи

Тип 1. 
Переходное или колебательное перенапряжение

Тип 2.
Импульсное превышение или провал напряжения

Тип 3.
Устойчивое пониженное напряжение, отключение части потребителей энергии или перерыв в подаче электроэнергии

Типичная причина помех

  • Молния
  • Коммутация электросети
  • Неисправность в системе питания
  • Значительное изменение нагрузки
  • Неисправности оборудования
  • Чрезмерная нагрузка
  • Неисправность в системе питания
  • Значительные и неприемлемые изменения нагрузки
  • Неисправности оборудования

Типичный порог помех

130% от номинального RMS-напряжения или выше 0-87%,
106-130% от номинального RMS напряжения
Ниже 87 % от номинального RMS напряжения

Типичная продолжительность помех

Резкий рост длительности от 0/5-200 микросекунд Диапазон от 0/5 до 120 циклов в зависимости от типа распределительного оборудования Восстановление в считанные секунды если коррекция автоматическая и 30 минут или дольше, если вручную

Эффект

Скрытое повреждение оборудования, ошибки
  • Приостановка работы
  • Повреждение оборудования
  • Ошибки
  • Приостановка работы
  • Повреждение оборудования

Длительные колебания напряжения

Нагрузки постоянно меняются, и система питания постоянно подстраивается под эти изменения. Все эти изменения и подстройка приводят к изменениям напряжения, которые называются долговременными колебаниями напряжения. Это может быть недостаточное или избыточное напряжение, в зависимости от конкретных условий. Важные характеристики включают величину напряжения и дисбаланс. Гармонические искажения также характерны для установившегося напряжения, но эта характеристика рассматривается отдельно, поскольку она не связана с изменениями основной частотной составляющей напряжения.

Большая часть оборудования для конечного использования не очень чувствительна к этим изменениям напряжения, если они находятся в разумных пределах. ANSI C84.1 определяет стационарные допуски напряжения для обеих величин и дисбаланса, ожидаемых на энергосистеме. Ожидается, что длительные колебания будут присутствовать, когда пределы превышены более 1 мин. На рисунке 1 показано изменение напряжения с большой продолжительностью.

Ежедневные отклонения напряжения в устройстве подачи питания
Рис. 1. Ежедневные отклонения напряжения в устройстве подачи питания

Гармонические колебания

Гармоническое колебание напряжения и тока обусловлено работой нелинейных нагрузок и устройств энергосистемы. Нелинейные нагрузки, вызывающие гармонические колебания, часто могут быть представлены как источники тока гармонических колебаний. Напряжение системы кажется устойчивым для отдельных нагрузок, а нагрузки искажают искаженные формы тока.

Гармоническое искажение напряжения обусловлено взаимодействием этих гармонических токов с сопротивлением энергосистемы. Гармонический стандарт, IEEE 519-1992, предложил двухстороннюю ответственность за уровень гармонических колебаний в электросети.
Конечные пользователи должны ограничить гармонические токи, вводимые в электросеть.
Поставщик электроэнергии будет контролировать искажения гармонического напряжения, убедившись, что резонансные условия системы не вызывают чрезмерного увеличения уровня гармонических колебаний.

Уровни гармонических искажений могут быть охарактеризованы полным гармоническим спектром с величинами и фазовыми углами каждой отдельной гармонической составляющей. Также принято использовать единое количество, полное гармоническое искажение, как меру величины гармонических искажений. Для токов значения искажения должны относиться к постоянному основанию (например, к номинальному току нагрузки), а не к основному компоненту. 

Гармонические искажения являются характеристикой установившегося напряжения и тока. Это не помехи. Поэтому характеристика уровней гармонических искажений соотносится с профилями гармонических искажений во времени (например, 24 часа) и статистики.

Импульсные помехи

Термин импульсные помехи обычно используется для обозначения быстрых изменений напряжения или тока. Внезапные скачки представляют собой помехи, а не стационарные колебания, такие как гармонические искажения или дисбаланс напряжения. Для внезапных скачков может быть измерена максимальная величина, скорость подъема или просто изменение формы волны от одного цикла к другому. Внезапные скачки можно разделить на две подкатегории, импульсные переходные процессы и колебательные переходные процессы в зависимости от характеристик.
Внезапные скачки обычно характеризуются фактической формой сигнала, хотя могут быть также разработаны сводные дескрипторы (пиковая величина, первичная частота, скорость роста и т. д.), На рис.2 приведена переходная кривая переключения конденсатора. Это один из самых важных переходных процессов, который существует в коммутационной технике.

Проблемы с внезапными скачками решаются путем изменения характеристик системы, влияющих на внезапные скачки, или путем защиты оборудования, чтобы оно не подвергалось этому воздействию. Например, влияние внезапных скачков переключения конденсаторов у источника могут быть снижены экранированием замыкающих контактов выключателя, вместо использования низковольтных фильтрующих конденсаторов в устройствах конечного пользователя. Кроме того оборудование потребителя может быть защищено фильтрами разрядников.

Схема замещения
a) схема замещения
b) форма волны
b) форма волны
Рис. 2. Напряжение конденсатора после включения

Короткие колебания напряжения

Короткие колебания напряжения включают изменение основной частоты напряжения менее одной минуты. 
Эти колебания лучше всего характеризуются графиками среднеквадратичного напряжения в зависимости от времени, но часто бывает достаточно описать их по величине напряжения и длительности, когда напряжение находится за пределами указанных пороговых значений. Обычно нет необходимости иметь подробные графики форм колебаний, поскольку первостепенное значение имеет величина среднеквадратичного напряжения.
Колебания напряжения могут представлять собой мгновенное низкое напряжение (провисание напряжения), высокое напряжение (выброс напряжения) или потерю напряжения (обрыв). Обрывы являются наиболее серьезными с точки зрения их воздействия на потребителей, но провал напряжения может быть более опасным, поскольку он может возникать гораздо чаще. Неисправное состояние может привести к сильному провалу напряжения на протяженной части сети, даже если у конечных пользователей нет обрыва. Это справедливо для большинства сбоев. На рис. 3,4 и 5 представлены примеры такого типа событий

Мгновенный провал напряжения, вызванный КЗ на землю
Рис. 3. Мгновенный провал напряжения, вызванный КЗ на землю 

Кратковременное падение напряжения, вызванное КЗ на землю
Рис. 4. Кратковременное падение напряжения, вызванное КЗ на землю

Временное падение напряжения, вызванное запуском двигателя
Рис. 5. Временное падение напряжения, вызванное запуском двигателя

Измерения качества электроэнергии

В последние годы качество электроэнергии стало важной проблемой для инженеров по эксплуатации энергосистем, инженеров по технической эксплуатации и консультирующих инженеров. Оборудование для конечного использования более чувствительно к колебаниям, которые возникают как в системе питания, так и в помещениях заказчика. Также, это оборудование более взаимосвязано в сетях и промышленных процессах, так что последствия проблемы с любым оборудованием намного более серьезны. 
Повышенная озабоченность по поводу качества электроэнергии привела к значительному увеличению производительности оборудования для мониторинга, которое может использоваться для характеристики нарушений и изменений качества электроэнергии.

Типы оборудования для контроля качества электроэнергии

Мультиметры или Цифровые мультиметры (DMM)
После первоначальных испытаний целостности проводки также может потребоваться оперативная проверка напряжений и / или цепей, проблем с пониженным или повышенным напряжением, и таким образом, можно обнаружить дисбаланс между фазами. Эти измерения требуют простого мультиметра. Сигналы для проверки включают: 

  • напряжение между фазой и землей;
  • фазное напряжение;
  • напряжение нейтрали относительно земли;
  • междуфазное напряжение (трехфазная система); 
  • фазовые токи;
  • ток в нейтрали.

Важным фактором, который следует учитывать при выборе и использовании мультиметра, является метод расчета, используемый в приборе. Все распространенные приборы дают среднеквадратичное значение для измеряемого сигнала. Однако для вычисления среднеквадратичного значения используется ряд различных методов. Три самые распространённые из них: 

  1. Пиковый метод. Прибор считывает пик сигнала и делит результат на 1.414 (квадратный корень из 2), чтобы получить среднеквадратичное значение. 
  2. Метод усреднения. Измеритель определяет среднее значение выпрямленного сигнала. Для чистого синусоидального сигнала это среднее значение связано со среднеквадратическим значением как k = 1/10. Это значение k используется для масштабирования всех измеренных сигналов.
  3. Истинное среднеквадратичное значение. Среднеквадратичное значение сигнала является мерой нагрева, который будет возникать, если напряжение будет подано на резистивную нагрузку. Одним из способов определения истинного среднеквадратичного значения является использование теплового детектора для измерения значения нагрева. Более современные цифровые измерители используют цифровой расчет среднеквадратичного значения, возводя в квадрат сигнал по выборке, усредняя его за период, а затем беря квадратный корень из результата. 

Эти разные методы дают одинаковый результат для чистого синусоидального сигнала, но могут давать значительно различные результаты на нелинейных сигналах. Это очень важно, потому что значительные уровни искажений довольно распространены, особенно для фазных токов и токов нейтрали. 

Осциллографы
Осциллограф является ценным инструментом при проведении тестов в режиме реального времени. Глядя на сигналы напряжения и тока, можно многое рассказать о том, что происходит, даже не выполняя подробный гармонический анализ сигналов. Можно получить величины напряжений и токов, искать очевидные искажения и обнаруживать любые существенные изменения в сигналах. 
Существует множество моделей и марок осциллографов, из которых можно выбирать. Цифровой осциллограф с хранением данных является особенно полезным, потому что форма сигнала может быть сохранена и проанализирована. Осциллографы в этой категории часто имеют возможность анализа сигналов (вычисление энергии, анализ спектра). Кроме того, цифровые осциллографы обычно могут передавать данные на ПК для дополнительного анализа с помощью программного обеспечения. 

Анализаторы помех
Анализаторы помех и мониторы помех представляют собой категорию приборов, которые были разработаны специально для измерений качества электроэнергии. Они, как правило, могут измерять самые разнообразные системные помехи от очень коротких переходных процессов до длительных отключений или понижений напряжения. Приборы могут быть установлены для мониторинга на длительное время. Информация записывается на носитель.

В основном существуют две категории этих устройств: 
1) традиционные анализаторы, которые обобщают события со специфической информацией, такой как величины повышенного / пониженного напряжения, величины и длительность падений/ скачков напряжений, временные величины внезапных скачков и их продолжительность и т. д. 
2) графические анализаторы, которые сохраняют и печатают фактическую форму волны вместе с описательной информацией, которая будет сгенерирована одним из традиционных анализаторов. 

Анализаторы качества электроэнергии Fluke 430 серии II функцию имеет функцию калькулятора потерь энергии
Анализаторы качества электроэнергии Fluke 430 серии II функцию имеет функцию калькулятора потерь энергии

Часто бывает сложно определить характеристики помех или внезапных скачков из сводной информации, доступной из традиционных анализаторов помех. Например, промодулированный внезапный скачок не может быть эффективно описан амплитудой и длительностью. Поэтому крайне важно иметь возможность захвата формы сигнала в анализаторе помех для детального анализа проблемы качества электроэнергии. Тем не менее, обычный монитор помех может быть полезным для предварительного проблемы. 

Анализаторы спектра и гармонические анализаторы
Многие современные инструменты и оборудование для онлайн-мониторинга включают возможность выборки осциллограмм и выполнения расчетов БПФ. Возможности этих инструментов сильно разнятся, и пользователь должен быть осторожным, чтобы точность полученной информации была адекватной для дальнейшего исследования. Ниже приведены некоторые основные требования к гармоническим измерениям, используемым для анализа: 

  • способность одновременно измерять напряжение и ток, чтобы можно было получить информацию о гармонической мощности; 
  • возможность измерения как величины, так и фазового угла отдельных гармоник (также необходимых для расчета мощности); 
  • синхронизация и достаточно высокая частота дискретизации для точного измерения гармонических составляющих до, по меньшей мере, 37-й гармоники (это требование представляет собой комбинацию высокой частоты дискретизации и интервала дискретизации, основанного на основной частоте 60 Гц);
  • способность фиксации статистического характера изменения уровней гармонических искажений (уровни гармоник изменяются с изменением условий нагрузки). 

Гармонические искажения являются непрерывным явлением. Его можно охарактеризовать в определенный момент времени частотными спектрами напряжений и токов. Однако для правильного представления необходимо произвести измерения за определенный промежуток времени и определить статистические характеристики гармонических составляющих и полное искажение.

Анализ данных измерения качества электроэнергии

В последние несколько лет анализ качества электроэнергии становится все более сложным. Недостаточно просто взглянуть на среднеквадратичные величины напряжения и тока. Помехи, возникающие в электросети, имеют длительность в миллисекундах, оборудование более чувствительно к этим помехам, и большая часть оборудования подключена к сетям, которые вызывают нарушения качества электроэнергии. По этим причинам необходимо постоянно контролировать параметры питающей сети и прогнозировать возможные последствия нарушений. 
Система анализа данных должна быть достаточно гибкой, чтобы обрабатывать данные от различных устройств мониторинга и сохранять данные в базу данных, которая может использоваться многими приложениями.
Различные типы изменений качества электроэнергии требуют различные типы анализа. В следующих пунктах приведены некоторые примеры. Благодаря гибкой системе эти приложения могут быть настроены под индивидуальные потребности пользователей. 

Внезапные скачки
Внезапные скачки обычно характеризуются фактической формой сигнала, хотя сводные дескрипторы также могут быть разработаны для: 

  • амплитуды ;
  • частота;
  • время возникновения; 
  • длительность фронта.

Колебания RMS
RMS колебания обычно характеризуются отношением среднеквадратического значения к времени или минимальной величины напряжения к времени события за период. 
Этот метод подходит для анализа событий в отдельных точках сети. Но когда задействована система, будь то клиент или сервис, может быть предпочтительнее рассмотреть ряд событий (например, один месяц, один год и т. д.) для нескольких участков сети. 

Заключение

Могут быть разработаны систематические процедуры оценки качества электроэнергии, но они должны проводиться на всех участках системы, от сети до потребителей. 
Проблемы с качеством электроэнергии проявляются как воздействие на оборудование потребителя, но могут включать взаимодействие между всеми уровнями электросети. 
Согласованный набор определений для различных типов изменений качества электроэнергии является отправной точкой для разработки процедур оценки. Эти определения позволяют классифицировать измерения и оценки в разных системах. 
Система анализа данных для измерений качества электроэнергии должна быть способна обрабатывать данные от различных измерителей и поддерживать целый ряд приложений для обработки данных. При непрерывном мониторинге качества электроэнергии очень важно иметь возможность суммировать изменения с временными тенденциями и статистикой в дополнение к характеристике отдельных событий.

Если вам нужна профессиональная консультация по вопросам анализа качества электроэнергии, просто отправьте нам сообщение!


 


Заказать звонок

- Email
- Confirm
Имя *
Телефон *
Комментарий
Согласие на отправку персональных данных *

* - Обязательное для заполнения