ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Электроэнергия является неотъемлемой потребностью общества 24 часа в сутки. Без электроэнергии не работают бытовые устройства в доме, помимо этого наступает темнота – при которой сложно что-либо делать. Коммунальные службы работают в круглосуточном режиме, чтобы в каждом доме был свет, и надо отметить каждый гражданин оплачивает свои квитанции за электроэнергию каждый месяц – весьма приличная сумма.

Живя в городе – можно не волноваться, службы своевременно отреагируют на поломку оборудования для подачи электропитания и оперативно устранят причину неисправности, однако даже в крупных мегаполисах качество электроэнергии не всегда идеально. А кроме этого, помимо городов, есть районы, села, деревни – в которых частые перебои и низкое качество электроэнергии являются нормой.

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах человеческой деятельности, обладает набором специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов продуктов, влияющих на их качество. Концепция качества электроэнергии отличается от концепции качества других видов продукции. Каждый электрический потребитель предназначен для работы с определенными параметрами электрической энергии: частотой, номинальным напряжением, током. Поэтому для нормальной работы необходимо обеспечить требуемое значение качества электроэнергии. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которой электрические потребители могут нормально работать и выполнять функции. Поэтому измерения параметров сети имеют большое значение для оценки качества электроэнергии. Термин хорошее качество электроэнергии может использоваться для описания источника, который всегда: доступен, напряжение и частота лежат в пределах нормы, имеет чистую синусоидальную форму без лишних шумов.

При проблемах с качеством электроэнергии может возникать множество разных явлений. Каждое из этих явлений происходит при определенных обстоятельствах и имеет различные пути решения, которые могут улучшить качество электричества и как следствие характеристик оборудования. При оценке электромагнитной среды и решении проблем, связанных с электромагнитной совместимостью, можно использовать метод виртуальной симуляции, который позволит быстро определить рациональные пути решения. Потребители электроэнергии производятся в расчете на длительную работу по времени с номинальными электрическими параметрами - частотой, напряжением и током сети, при которых они имеют самые высокие технические и экономические параметры.

При передаче электроэнергии от станций потребителям качество ухудшается, поскольку в сетях возникают потери напряжения, в зависимости от длины или качества монтажа линии. В результате остаточных эффектов от удара молнии могут возникать короткие импульсы высокого напряжения, которые способны выводить различную технику из строя. Несбалансированность фазовой нагрузки вызывает асимметрию напряжений трехфазного питания, что сказывается на избыточном нагреве трансформаторов. Наличие преобразовательных устройств приводит к несинусоидальным напряжениям, а изменение нагрузки при отключении и подключении потребителей вызывает колебания частоты и напряжения. Эти причины, а также ряд других факторов приводят к отклонению параметров качества электрической энергии от нормализованных значений, что влияет на работу электрических приборов.

Качество электроэнергии напрямую связано с экономикой производства, поскольку отклонения показателей качества от номинала приводят к снижению эффективности, коэффициента мощности, производительности, срока службы и других показателей потребителей электроэнергии. Еще одним отражением качества электроэнергии является ее влияние на сам предмет производства, на качество продукции. Действительно, отклонение показателей качества электроэнергии от номинального приводит непосредственно к разрушению технологических процессов (обработка, прокат, гальванизация, нагрев). Качество электрической энергии также связано с некоторыми социальными проблемами. Например, неприемлемые отклонения напряжения в сетях освещения приводят к уменьшению освещенности, которое влияет на зрительные органы человека.

Появление более высокой гармоники в сетях электропитания вызывает не только нарушение радио- и телевизионного оборудования, но при определенных условиях оно влияет на здоровье людей. Наличие более высоких гармоник, приводит к высокочастотным вибрациям рабочего инструмента. Систематическое воздействие общих вибраций, характеризующихся высоким уровнем виброскорости, приводит к вибрационной болезни [1, с. 54], которая приводит к различным нарушениям функций организма.

Рассмотрим, как влияет отклонение параметров качества электроэнергии от работы электрических потребителей. Отклонения и колебания напряжения в электрических сетях, вызванные регулярным изменением электрических нагрузок, приводят к изменению уровня освещения, увеличению удельного потребления энергии, изменению технологических процессов, увеличению стоимости производства, браку и прочим негативным последствиям, которые снижают экономическую эффективность производства. Фактором, из-за которого происходят искажение напряжения и тока в энергосистеме, являются нелинейные потребители, которые используют ток несинусоидального типа. Среди таких источников стоит выделить электродвигатели с системой управления инвертором, системы плавного пуска для двигателей, выпрямители управляемого и неконтролируемого типа, источники питания, электротермическое оборудование - лазеры, дуговые и индукционные печи с высокочастотными, сварочными аппаратами, СВЧ-устройствами, и т. д.

Основное внимание заслуживает группа электротермического оборудования, так как для их мощности используются мощные силовые полупроводниковые элементы, печные трансформаторы. Это оборудование может создавать и усиливать отрицательные эффекты в электрической сети, а именно асимметрию и несинусоидальное напряжение. Моделирование установок и электрических аппаратов с добавлением функционала, ответственного за эффекты, вводимые в сеть и имеющие отрицательный эффект, может на этапе проектирования дать достаточно точную оценку эффективной работы задействованного электрооборудования.

Электрические сети административных зданий, построенные в 60 - 90 годах прошлого века, не были рассчитаны на текущие нагрузки. Широкое использование современного офисного оборудования может привести к их перегрузке. Замена электрических комплектующих в таких зданиях может потребовать значительные материальные затраты. Необходимо рассматривать возможность замены старого оборудования на современную энергоэффективную оргтехнику. Как правило, персональные компьютеры включаются в течение всего рабочего дня, а некоторые устройства (например, серверы) работают круглосуточно. Очевидно, что широкое использование энергосберегающих устройств с нелинейными характеристиками может привести к увеличению гармонических искажений токов и напряжений. Поэтому меры по экономии энергии и повышению энергоэффективности должны включать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Наибольший эффект достигается за счет использования специальных компенсирующих устройств - активных и пассивных гармонических фильтров. Традиционными средствами подавления высших гармоник в сетях электропитания являются пассивные гармонические фильтры (ПФГ). Пассивные фильтры производятся с использованием традиционных хорошо зарекомендовавших себя технологий. Их основными преимуществами являются простота и экономичность. ПФГ не только фильтрует высшие гармоники, но и компенсирует реактивную мощность основной гармоники. Недостатком пассивных фильтров является то, что они являются статическими устройствами. Эффективность ПФГ уменьшается при изменении гармонического состава токов и напряжений, а также при изменении режима работы сети.

Другим недостатком является возможность резонанса токов в параллельном колебательном контуре, образованном фильтром и индуктивностью сети питания, на частотах, близких к частотам высших гармоник. Альтернативой пассивным устройствам являются активные гармонические фильтры (АФГ). АФГ представляет собой коммутируемое устройство, которое может одновременно выполнять несколько функций: подавление высших гармоник, коррекция коэффициента мощности, уменьшение колебаний. В качестве переключаемых элементов в активных фильтрах используются мощные МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. Следует отметить, что силовые гармонические фильтры не имеют ничего общего с активными RC-фильтрами, используемыми в телекоммуникационных системах для обработки сигналов. Важным преимуществом активных фильтров является то, что они являются подстраивающимися устройствами, характеристики которых различаются в зависимости от режима работы сети и характеристик нагрузки. Однако широкое использование АФГ ограничено их сложностью и высокой стоимостью.

Наиболее перспективным направлением, обеспечивающим улучшение характеристик при относительно низкой стоимости, является разработка гибридных фильтрующих устройств, которые представляют собой комбинацию пассивных и активных фильтров. Гибридные фильтры намного дешевле активных и в то же время обладают преимуществами последних. Активный фильтр в гибридной системе часто рассматривается как средство регулирования характеристик пассивного фильтра.

Список литературы:

1. Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. Учебник. М.: Издат. дом. "Дашков и К", 2006. – 476 с
2. Висящев А.Н. Качество электрической энергии и электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах Ч. 1: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. – 187 с.
3. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях: пер. с англ. М.: Додэка-ХХ1, 2008. – 336 с.