Контроль качества электроэнергии: проблемы и способы их решения

Современное электрооборудование, как правило, развивается в направлении энергосберегающих технологий. Поэтому более современное оборудование, по идее, должно потреблять меньше электроэнергии, а, значит, создавать меньшую нагрузку на кабели и трансформаторы. И каково же бывает удивление потребителей, которые устанавливают устройства, у которых, согласно документации, меньшее энергопотребление, а в итоге и кабеля греются, и трансформаторы преждевременно выходят из строя, чего не было при допотопном оборудовании, потреблявшем в несколько раз больше электроэнергии. Какие существуют проблемы в электрических сетях и как их решить?

Контроль качества электроэнергии

Последствия нагрева кабеля

Оболочка изоляции в современных кабелях выполнена главным образом из поливинилхлорида (ПВХ) или из полиэтилена. ПВХ изначально является твердым материалом, для придания ему гибкости добавляются пластификаторы. При нагревании изоляции из ПВХ пластификаторы испаряются, в результате чего материал теряет гибкость. Достаточно небольшого механического воздействия, и изоляция разрушается, значит, кабель становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Полиэтилен сохраняет гибкость даже без пластификаторов, тем не менее, возникает другая проблема. Прочность и гибкость данного материала во многом определяются длинными цепочками молекул. При нагреве без кислорода (что как раз имеет место быть внутри кабеля) происходит так называемая деполимеризация — эти цепочки разветвляются. В итоге изоляция также становится хрупкой, в ней появляются трещины. Если в них попадет влага, это ускорит процесс разрушения полиэтиленовой изоляции.

В общем, перегрев кабеля — не такое уж и безобидное дело. Из-за него сокращается срок службы кабеля, возрастает вероятность аварий на электросети. При этом замена силового кабеля обычно стоит дорого, нужно доводит ситуацию до нее? Для контроля качества электрической сети используйте современные измерительные приборы.

Реактивная мощность

При большом сдвиге по фазе φ между током и напряжением часть энергии впустую перекачивается по проводам, вызывая их нагрев. Это хорошо известное электрикам явление и приблизительно ясно, как с ним бороться — устанавливать корректоры, приближающие значение cos φ к единице. Однако такие корректоры лучше устанавливать в непосредственной близости к нагрузке. Как определить, где возникают проблемы?

Предположим, обнаружен нагрев силового кабеля, к которому подключено множество потребителей. Как понять, где проблемы с реактивной мощностью?

Самое главное, что потребуется для этого — компактный, относительно недорогой прибор, простой в использовании, которым можно «вооружить» бригаду электриков, обслуживающих здание. Следующее требование к измерительному прибору — он должен уметь отслеживать изменение реактивной мощности во времени. Сопоставив всплески реактивной мощности с моментами включения/выключения того или иного оборудования, можно сделать вывод о том, где могут быть проблемы и далее обследовать конкретное устройство, чтобы точно определить, нужен ли корректор.

Портативный анализатор качества электроэнергии Fluke 345
Портативный анализатор качества электроэнергии Fluke 345

Наилучший вариант для контроля качества электроэнергии — портативный анализатор Fluke 345. Он не займет много места в чемоданчике с инструментами электрика, весит всего 820 г. Контроль за качеством электроэнергии упрощается благодаря наличию встроенных токовых клещей. Питание осуществляется от 6 батареек типа AA, время непрерывной работы достигает 12 ч. Все технические характеристики перечислять здесь не будем, отметим лишь, что прибор способен измерять реактивную мощность вплоть до 1250 Вар, при этом имеется функция автоматического переключения диапазона измерений. Значение cos φ может быть измерено в пределах от -1 до -0,3 и от 0,3 до 1. Возможно изменение не только cos φ, но и коэффициента мощности, а также коэффициента гармоник (об этом мы еще поговорим), что делает Fluke 345 по-настоящему универсальным прибором для контроля качества электроэнергии. А еще в нем имеется встроенный осциллограф и это за вполне вменяемые деньги... Но в том случае, если нужно померить конкретно cos φ в условиях высокочастотных помех, то именно Fluke 345 сделает это с большой точностью благодаря наличию встроенного низкочастотного фильтра.

 Анализатор качества электроэнергии и работы электродвигателей Fluke 438-II
Анализатор качества электроэнергии и работы электродвигателей Fluke 438-II

Зачастую проблемы с большим уровнем реактивной мощности возникают из-за электродвигателей прямого пуска. Измерение их параметров является сложным делом, но появление прибора Fluke 438-II революционно изменило ситуацию. Вычисление механической мощности и КПД без использования механических датчиков, простым подключением к вводным контактам — совсем недавно это казалось фантастикой, теперь это реальность. Информация о двигателе собирается по всем фазам со скоростью до 200000 выборок в секунду. Помимо всего этого прибор собирает данные об активной и реактивной мощности, cos φ и коэффициенте мощности.

Пример зависимости cos φ от коэффициента нагрузки электродвигателя
Пример зависимости cos φ от коэффициента нагрузки электродвигателя, Pном — номинальная механическая мощность электродвигателя, P – мощность, с которой электродвигатель работает в данный момент времени

Какое отношение имеют механические параметры двигателя к cos φ? Самое прямое. Для каждой модели двигателя существует оптимальное значение нагрузки, при которой этот параметр максимален. Определив механическую мощность электродвигателя, можно понять, насколько он нагружен. Соответственно, определяется необходимость в техобслуживании, а также вырабатываются рекомендации по оптимальному, с точки зрения энергоэффективности, использованию двигателя. И, конечно, полученные данные позволяют правильно выбрать корректор коэффициента мощности, исключающий перегрев кабеля.

Гармоники высших порядков

В последнее время энергетики столкнулись с новой проблемой — значительным отклонением формы тока в энергосистемах от синусоидального, что проявляется как рост уровня гармоник высшего порядка. Существующий ГОСТ ограничивает уровень гармоник тока значением 8%, в исключительных случаях — 12%.

В реальности нормы ГОСТ по гармоникам не всегда соблюдаются, и ситуация только усугубляется. Все больше используется аппаратуры с импульсными блоками питания. Частотные преобразователи для электродвигателей стали обычным делом. Светодиодное освещение из экзотической забавы для технически продвинутых людей стало повседневной реальностью. Светодиодные светильники устанавливают повсюду, при этом, как правило, берут, что подешевле. А разница между дорогим и дешевым светодиодным светильником как раз и заключается в качестве драйвера, в том числе и в уровне гармоник, которые он создает. Большое распространение получили светодиодные лампы-ретрофиты, по размерам соответствующие традиционным источникам света. Ограниченные размеры корпуса таких ламп не позволяют использовать в них качественные драйверы с низким уровнем гармоник.

В добавление к этому недавно появилась новая напасть — майнинг криптовалют. Для этого «энтузиасты-любители» создают «фермы» из сотен обычных персональных компьютеров. В отличие от профессиональных центров обработки данных, здесь не соблюдаются никакие нормы по гармоникам, так как блок питания персонального компьютера изначально рассчитан на то, что в квартире будет эксплуатироваться одно такое устройство, а не сотни. «Фермы» размещают не только в квартирах, но и в подсобных помещениях заводов, а также на технических этажах зданий, нелегально подключая их к электросети. Найти их сложно, но, имея специальные приборы контроля качества электроэнергии, вполне возможно.

Ранее проблему гармоник рассматривали только в контексте электромагнитной совместимости. То есть наличие гармоник тока в сети создает помехи в работе чувствительных электронных приборов, мешает связи, радио- и телевещанию. Но теперь все чаще специалисты обращают внимание на такую проблему, как преждевременный выход из строя силовых кабелей, а также трансформаторов на подстанциях из-за высокого уровня гармоник. Особую опасность представляют третья и кратные ей гармоники. В сбалансированной трехфазной системе без высших гармоник токи в фазных проводах сдвинуты на 120 градусов друг относительно друга, в результате сумма токов в нейтрали равна нулю. Третья и кратные ей гармоники совпадают по фазе, и их токи суммируются в нейтрали. На нейтрали появляется падение напряжения, как будто произошел перекос фаз. При этом возможно возникновение ситуации, когда ток в нейтрали превышает ток в самой нагруженной фазе. При этом проводники нейтрали, как правило, не защищаются от перегрева с помощью защитных автоматов. Все это ведет к нагреву кабелей и их преждевременному выходу из строя.

Конструкция трансформатора рассчитана на строго определенную частоту тока в сети. Появление гармоник ведет за собой потерю на гистерезис и увеличение вихревых токов в сердечнике. Кроме этого, как и в случае с кабелем, высокий уровень гармоник приводит к перегреву обмоток трансформатора.

PITE-3561 - анализатор качества электроэнергии с токовыми клещами в комплекте
PITE-3561 - анализатор качества электроэнергии с токовыми клещами в комплекте

Уровень гармоник меняется во времени. Для того, чтобы понять ситуацию, требуется проводить записывать результаты измерений на протяжении значительного промежутка. Это умеет делать анализатор качества электроэнергии PITE-3561. Он наглядно показывает данные по гармоникам с 1 по 50, а данные с 1 по 25 гармоники, как и много других параметров, он способен записывать на протяжении 960 часов (это 40 дней!). Таким образом, PITE-3561 позволяет диагностировать ситуацию, чреватую перегрузкой кабеля.

Как трактовать запись результатов измерений? Во-первых, можно сопоставить заведомо известные моменты включения/выключения оборудования и изменения картины распределения гармоник. А, во-вторых, у каждого вида оборудования есть свой «отпечаток», проявляющийся в определенном соотношении гармоник. Посмотрев на распределение гармоник, опытный специалист может сказать, какой именно тип прибора создает проблемы. Например, так можно выявить, что к сети одновременно подключено большое количество компьютеров, а, значит, не исключено, что где-то на подведомственной вам территории занимаются майнингом криптовалют.

Анализатор параметров качества электрической энергии SONEL PQM-700 с функцией определения K-фактора
Анализатор параметров качества электрической энергии SONEL PQM-700 с функцией определения K-фактора

Воздействие гармоник на трансформатор является более сложным и многофакторным процессом, чем на кабель. И уже нельзя определить наиболее опасные гармоники, только исходя из их кратности. Для решения проблемы ввели обобщенный параметр под названием K-фактор, показывающий вклад высших гармоник в нагрев трансформатора. Максимально допустимое значение K-фактора является одним из параметров современного трансформатора. Поэтому, если вы беспокоитесь за долговечность трансформаторов, следует воспользоваться другим прибором — SONEL PQM-700, который автоматически вычисляет K-фактор для нагрузки. Важная особенность данного прибора — степень защиты IP65, что позволяет устанавливать его на улице. Защищен прибор и от электромагнитных наводок, так что не бойтесь устанавливать его непосредственно на ЛЭП. А если на улице будет холодно, то прибор продолжит работу благодаря встроенной системе электроподогрева.

К сожалению, в нашей стране пока нет законодательной базы для того, чтобы принудить потребителей не использовать электрические приборы, ухудшающие качество электрической сети. Но на крупном предприятии или в торговом центре полученные от описанных в этой статье приборов данные позволят выявить источники гармоник и принять правильное решение: вести закупки более дорогого оборудования или же ставить специальные корректоры. А в том случае, когда увещевать бессмысленно, речь идет об арендаторах, остается один путь — устанавливать кабели и трансформаторы с запасом на несинусоидальность потребляемого тока. И здесь опять-таки, современные измерительные приборы для контроля качества электроэнергии и диагностики электросети позволяют точно определить величину коэффициента запаса, чтобы обеспечивалась безопасность при приемлемых затратах.

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


 


Заказать звонок

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

* - Обязательное для заполнения