К  ВОПРОСУ  О  РЕШЕНИИ  ПРОБЛЕМЫ  КАЧЕСТВА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЭНЕРГИИ  ОДНОФАЗНЫХ  ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Трофимова  Светлана  Николаевна

канд.  техн.  наук,  доцент,  филиал  ЮУрГУ  в  г.  Златоусте

E-mail: 

Максимов  Сергей  Павлович

канд.  техн.  наук,  доцент,  филиал  ЮУрГУ  в  г.  Златоусте

E-mail: 

ON  SOLVING  THE  PROBLEM  OF  ELECTRICAL  POWER  QUALITY  FOR  SINGLE-PHASE  ELECTRICITY  CONSUMERS

Trofimova  Svetlana

PhD  in  Technical  Sciences,  associate  Professor,  SUSU,  Zlatoust  branch

Maksimov  Sergey

PhD  in  Technical  Sciences,  associate  Professor,  SUSU,  Zlatoust  branch

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены  характерные  отклонения  от  норм  качества  электрической  энергии  в  системе  электроснабжения  однофазных  потребителей,  предложены  пути  достижения  требуемого  уровня  надёжности  работы  электрических  сетей.

ABSTRACT

Specific  deviations  from  the  power  quality  standards  in  the  energy  supply  system  for  single-phase  electricity  consumers  were  considered,  the  ways  to  achieve  the  required  level  of  reliability  for  electrical  services  were  offered.

Ключевые  слова:  параметры  качества  электрической  энергии;  надежность;  трехфазная  сеть;  однофазные  потребители;  выбор  фазы;  логическое  устройство.

Keywords:  electrical  power  quality  characteristics;  reliability;  three-phase  network;  single-phase  electricity  consumers;  phase  selection;  logical  device.

Увеличение  количества  городских  жителей,  развитие  промышленности,  создание  совершенно  новых  по  своей  технологии  производств,  строительство  новых  и  реконструкция  действующих  производственных  объектов,  внедрение  мощных  установок  силового  электрооборудования  приводит  к  устойчивому  росту  электропотребления  в  городах,  что  требует  систематического  развития  городских  электрических  сетей. 

Городские  электрические  сети  в  современном  городе,  развивающемся  быстрыми  темпами,  не  всегда  способны  справляться  с  возрастающими  электрическими  нагрузками,  как  на  этапе  передачи,  так  и  на  этапе  распределения  электрической  энергии  городским  потребителям.  Увеличение  нагрузок  в  современном  городе  ведет  к  появлению  определенных  проблем  в  системах  электроснабжения  городского  хозяйства.  Увеличение  потребления  электрической  энергии  в  свою  очередь  приводит  к  ужесточению  требований  к  работе  систем  электроснабжения  городов.  Отключения  в  периоды  пиковых  нагрузок  могут  стать  катастрофой  для  энергоснабжения  городских  потребителей,  поэтому  важное  значение  приобретают  требования  к  качеству  развития  городских  электрических  сетей. 

В  настоящее  время  рост  стоимости  электроэнергии  и  ужесточение  требований  к  качеству  и  надежности  электроснабжения  городского  хозяйства  придают  изучению  структуры  и  режимов  функционирования  систем  электроснабжения  города  особую  актуальность.  Анализ  нормативных  документов  по  энергосбережению  [2,  8,  9]  позволяет  выделить  из  множества  факторов,  характеризующих  основные  критерии  оценки  энергоэффективности,  такой  критерий,  как  уровень  качества  электроэнергии  —  отношение  уровня  ущерба,  возникшего  вследствие  снижения  качества  электроэнергии  в  текущем  отчётном  периоде  к  предыдущему. 

На  современном  уровне  электроснабжения  городов  характерным  является  оптимизация  развития  существующей  электрической  сети,  при  которой  необходимо  исходить  из  общих  принципов  ее  построения  с  учетом  перспективы.  При  проектировании  схем  городских  электрических  сетей  должна  обеспечиваться  экономичность  их  развития  и  функционирования,  причем  необходимо  рассматривать  работоспособность  действующих  сетей  при  перспективном  уровне  электрических  нагрузок.  Как  схема,  так  и  параметры  городской  электрической  сети  должны  обеспечивать  надежность  электроснабжения,  при  которой  в  случае  отключения  любой  линии  трансформатора  сохраняется  питание  потребителей  без  ограничения  нагрузки  с  соблюдением  нормативного  качества  электроэнергии. 

Анализ  повреждаемости  электрооборудования  в  электрических  сетях  ОАО  «МРСК  Урала»  филиала  «Челябэнерго»  производственного  отделения  ЗЭС  за  десятилетний  период  показал,  что  отключение  электрооборудования  именно  из-за  недопустимых  отклонений  параметров  электроэнергии  составило  18  %  всех  нарушений  в  работе,  у  городских  потребителей  —  12  %  [6,  c.  34].  При  этом  известно,  что  в  системах  электроснабжения  в  среднем  в  точке  присоединения  возможны  около  30  временных  перенапряжений  [4,  с.  21]. 

Для  современных  городских  электрических  сетей  характерны  колебания,  провалы,  недопустимые  отклонения  напряжения,  а  также  несимметрия  трехфазной  системы.  Причинам  этого  являются  обрывы,  отключения  одной  фазы,  неравномерное  распределение  по  фазам  массовых  однофазных  электроприемников,  характерных  для  городских  потребителей,  загрязнение  изоляции  городской  средой,  механические  повреждения  элементов  сети,  ошибочные  действия  оперативного  и  ремонтного  персонала,  доля  которых  составляет  более  30  %  всех  причин  нарушений  в  системе  электроснабжения  города  (табл.  1).

В  настоящее  время  актуальность  проблемы  качества  электроснабжения  возрастает,  так  как  число  электроприемников,  чувствительных  к  кратковременным  нарушениям  электроснабжения,  постоянно  увеличивается.  Показатели  качества  электроэнергии,  в  частности,  характеризуют  такие  свойства  электрической  энергии,  как  отклонение  частоты,  отклонение,  колебания  и  провал  напряжения,  несимметрия  напряжений  в  трехфазных  системах  электроснабжения  [1].

Так,  снижение  частоты  на  1  %  увеличивает  потери  в  сетях  на  2  %  [5,  с.  303].  Отклонение  напряжения,  как  правило,  обусловленное  изменением  потерь  напряжения,  которые  вызываются  изменением  мощностей  нагрузок  городских  потребителей,  отрицательно  сказывается  на  качестве  работы  и  сроке  службы  компьютерной  техники,  телевизоров  и  другой  бытовой  электронной  техники.

Таблица  1.

Основные  причины  отключений  городских  электрических  сетей  в  ОАО  «МРСК  Урала»  филиала  «Челябэнерго»  производственного  отделения  ЗЭС

Снижение  напряжения  в  осветительной  сети  приводит  к  уменьшению  освещенности,  что  может  вызвать  снижение  производительности  выполняемых  работ,  дискомфорт  у  человека,  убытки  в  результате  снижения  срока  службы  осветительных  установок  либо  перерасход  электроэнергии  при  использовании  ламп  накаливания.  Кроме  того,  неприятное  психологическое  воздействие  на  человека,  утомление  зрения  вызывает  фликер-эффект,  причиной  которого  являются  колебания  напряжения,  источниками  которых  являются  потребители  электрической  энергии  с  резкопеременным  графиком  нагрузки.  Колебания  напряжения  отрицательно  влияют  на  работу  радиоприборов,  нарушая  их  нормальное  функционирование  и  снижая  срок  службы.  Помехи  в  телевизионных  изображениях  проявляются  при  частотах  0,5—3  Гц  и  заметны,  главным  образом,  при  неподвижных  изображениях.  Кроме  того,  при  работе  ЭВМ  в  режиме  управления  иногда  оказывается  достаточным  одного-двух  колебаний  с  размахом  1—1,5  %,  чтобы  произошел  сбой  в  какой-либо  ячейке  машины  и,  как  следствие,  возникли  ошибки  в  командах  управления  или  при  производстве  расчетов  [5,  с.  301].  Несимметрия  напряжения  приводит  к  ошибкам  при  работе  счетчиков  электроэнергии,  при  появлении  в  трехфазной  сети  напряжения  нулевой  последовательности  ухудшаются  режимы  напряжений  для  однофазных  приемников.  Токи  нулевой  последовательности  постоянно  протекают  через  заземлители  и  значительно  высушивают  грунт,  увеличивая  сопротивление  заземляющих  устройств.  При  несимметричном  режиме  ухудшаются  условия  работы  электроприемников  и  всех  элементов  электрической  сети:  снижаются  экономичность  и  срок  службы  оборудования,  уменьшается  пропускная  способность  сети,  увеличиваются  потери  энергии.  В  городских  сетях  0,38  кВ  наиболее  часто  несимметрия  напряжений  возникает  из-за  неравенства  нагрузок  в  результате  подключения  большого  количества  используемых  в  быту  однофазных  осветительных  и  бытовых  электроприемников  (электрический  чайник,  стиральная  и  посудомоечная  машины,  электрическая  плита,  пылесос,  обогреватель,  кондиционер  и  т.  п.).  Эти  электроприемники  необходимо  равномерно  распределять  по  фазам  для  уменьшения  несимметрии,  но  используемые  схемы  подключения  не  гарантируют  равномерности  загрузки  фаз  питающей  сети.  При  этом  прогнозировать  момент  одновременного  использования  этих  приемников  в  пределах  квартиры,  дома  или  квартала  практически  нет  возможности.

Достижение  требуемого  уровня  надёжности  и  качества  работы  городских  электрических  сетей  может  быть  достигнуто  разработкой  совершенных  систем  распределения  электроэнергии,  использованием  рациональных  конструкций  распределительных  устройств,  выбором  оптимальных  значений  сечений  проводов  и  кабелей  и  т.  п.  Если  четко  знать  время  включения  и  период  работы  оборудования,  то  рационального  распределения  мощностей  электрической  энергии  можно  добиться  простым  распределением  потребителей  между  отдельными  фазами  трехфазной  сети.  Использование  устройств,  обеспечивающих  подключение  однофазных  потребителей  к  менее  нагруженной  фазе,  могло  бы  выровнять  нагрузку  всех  фаз  в  пределах  одного  передающего  трансформатора,  повысить  качество  предоставляемых  услуг  в  части  величины  напряжения,  близкого  к  номинальному.

Таким  устройством  в  настоящее  время  может  являться  реле  выбора  фаз  РВФ-01  [7],  которое  представляет  собой  микропроцессорный  однофазный  блок  автоматического  ввода  резерва,  подключается,  к  трехфазной  питающей  сети  и  обеспечивает  переключение  однофазных  потребителей  на  фазу  питания,  оптимальную  по  уровню  напряжения,  при  колебаниях,  недопустимых  отклонениях  или  полных  провалах  напряжения  «рабочей»  фазы.  В  зависимости  от  наличия  и  качества  напряжения  на  фазах  устройство  автоматически  производит  выбор  наиболее  благоприятной  фазы  и  переключает  питание  однофазной  нагрузки  на  нее.  Но  в  таком  случае  нагрузка  от  одновременно  работающих  однофазных  потребителей,  включенных  в  локальную  трехфазную  цепь,  (электросеть  квартиры,  жилого  дома  или  организации),  подключается  к  разным  клеммам,  но  принадлежит  одной,  наиболее  оптимальной  фазе,  способна  уменьшить  напряжение  до  порогового  значения,  а  переключение  на  другую  фазу  при  этом  не  даст  существенных  изменений,  так  как  выбранная  фаза  может  быть  загружена  аналогичными  однофазными  потребителями  другого  пользователя.  Разделение  же  потребителей  на  конечное  число  независимых  однофазных  цепей  потребует  нескольких  реле  выбора  фаз,  что  приведет  к  усложнению  схемы  и  увеличению  стоимости.  Кроме  того,  для  реле  РВФ-01  характерна  задержка  времени  срабатывания,  составляющая  0,1  секунды,  вследствие  которой  происходит  разрыв  электрической  цепи.  При  кратковременных  нарушениях  электроснабжения  могут  происходить  сбои  в  работе  электродвигательной  нагрузки,  компьютеров,  электронных  систем,  в  том  числе  работающих  в  режиме  реального  времени.  В  результате  этого  могут  иметь  место  сбои  в  системах  управления,  потеря  информации  и  т.  п.

Использование  мультимодуля  выбора  фаз  [3]  позволит  подключить  всех  однофазных  потребителей  локальной  трехфазной  сети  к  одному  устройству,  с  возможностью  бесперебойного  выбора  для  них  оптимальных  фаз.  Мультимодуль  содержит  заранее  определенное  количество  выходов  для  подключения  независимых  однофазных  цепей  потребления,  которые  связаны  посредством  микропроцессорного  блока  с  тремя  входными  фазами.  Этот  микропроцессорный  блок  способен  определять  загруженность  каждой  фазы,  с  которой  в  каждый  момент  времени  связана  часть  выходов  мультимодуля.  Имеющийся  в  мультимодуле  микропроцессорный  блок  содержит  логическое  устройство  с  программно  заданными  порогами  допустимых  характеристик  питающей  сети  и  алгоритмом  работы  блока  переключения,  способное,  перераспределять  подключение  каждого  выхода  любой  из  фаз  таким  образом,  чтобы  напряжение  на  каждой  из  фаз  не  превышало  программно  установленных  пороговых  значений.  Мультимодуль  позволяет  обеспечить  бесперебойное  электроснабжение  однофазных  потребителей  с  заданными  показателями  качества  электроэнергии.

Список  литературы:

1. ГОСТ  Р  54149-2010  «Нормы  качества  электрической  энергии  в  системах  электроснабжения  общего  назначения».  —  ФГУП  «Стандартинформ»,  —  2012.  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.sonel.ru/ru/biblio/standards/R54149-2010/  (дата  обращения:  08.06.2013).
2. «Концепция  долгосрочного  социально-экономического  развития  РФ  на  период  до  2020  года»  /  Распоряжение  Правительства  РФ  от  17.11.2008  г.  №  1662-р  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://base.garant.ru/194365/  (дата  обращения:  08.06.2013).
3. Максимов  С.П.,  Ворона  В.В.,  Баукин  А.И.  Мультимодуль  выбора  фаз  //  Патент  России  №  127539.  2013.  Бюл.  №  12.
4. Сережин  К.С.,  Суворов  И.Ф.,  Портнягн  А.В.,  Сидоров  А.И.  Перенапряжения  в  системах  электроснабжения  0,4  кВ  с  глухозаземленной  нейтралью  //  Электробезопасность.  —  2008.  —  №  4.  —  С.  21—25.
5. Справочник  по  энергоснабжению  и  электрооборудованию  промышленных  предприятий  и  общественных  зданий  /  под  общ.  ред.  С.И.  Гамазина,  Б.И.  Кудрина,  С.А.  Цырука.  —  М.:  Издательский  дом  МЭИ,  2010.  —  745  с.
6. Трофимова  С.Н.  Анализ  повреждаемости  электрооборудования  в  городских  электрических  сетях  6—35  кВ  //  Электробезопасность.  —  2007.  —  №  4.  —  С.  33—41.
7. УЗО,  реле  времени,  реле  фаз,  реле  напряжения,  щитовое  оборудование  ГРЩ,  АВР,  ВРУ  [Электронный  ресурс].  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.110volt.ru/  (дата  обращения:  04.06.2013).
8. Федеральный  закон  «Об  энергосбережении  и  о  повышении  энергетической  эффективности  и  о  внесении  изменений  в  отдельные  законодательные  акты  Российской  федерации»  №  261-ФЗ  от  23.11.2009  г.  (в  ред.  от  08.05.2010  г.  с  изм.  от  05.04.2013)  [Электронный  ресурс].  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.rg.ru/2009/11/27/energo-dok.html  (дата  обращения:  08.06.2013).
9. Энергетическая  стратегия  России  до  2030  года  /  Распоряжение  Правительства  РФ  №  1715-р  от  13.11.2009  г.  [Электронный  ресурс].  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://minenergo.gov.ru/activity/energostrategy/  (дата  обращения:  08.06.2013).