Качество на електроенергията

31.01.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Снимки (3)

До своята същност електроенергията е търговски продукт, който трябва да има необходимото качество. Масово използваното понятие “качество на електроенергията” (Power Quality) PQ означава доставяне без прекъсване на електроенергия на потребителите, като параметрите на мрежовото напрежение са в определени граници, позволяващи нормалното функциониране на свързаните към мрежата електрически товари. Идеално електрозахранване означава мрежовото напрежение никога да не се прекъсва, неговата стойност и честота да са в допустимите от действащия стандарт граници и да има чисто синусоидална форма без насложени шумове. На значението на PQ се обръща сериозно внимание още от самото създаване на електрическите мрежи, но днес то е още по-важно по две основни причини. Те са свързани с наличието на множество съвременни типове товари, които от една страна се нуждаят от добро PQ, а от друга го влошават поради естеството на своето действие. Като пример е достатъчно да се споменат импулсните захранвания, използвани в голяма част от компютърните, комуникационните и други електронни устройства, и управляващите блокове на постояннотоковите и променливотоковите електродвигатели с променлива честота на въртене. Многобройни са областите на човешката дейност, където влошаването на PQ е свързано със значителни финансови загуби, най-вече в непрекъснатите производства. Например, краткотрайни прекъсвания на мрежовото напрежение могат да доведат до значителни загуби в стъкларската и стоманодобивната промишленост, както и в телекомуникациите.

Същност на PQ
Електроенергията е твърде специфичен продукт, който на практика много трудно се съхранява и затова се консумира непосредствено след производството му. Отговорността за нейното качество се разделя между производителите и енергопреносните дружества от една страна и потребителите от друга. Когато PQ не е достатъчно за дадено устройство, се налага подобряването му чрез подходящи технически средства.
На първо място те включват качествени електрически инсталации и/или добро зануляване – според изследванията около 80% от случаите на лошо PQ се дължат на неспазване на тези изисквания. На пръв поглед това е странен факт, но той има своето логично обяснение: повечето електрически мрежи и инсталации са изградени преди широкото разпространение на персоналните компютри, по времето, когато осветителните тела представляваха активен товар, не съществуваха безжични телефонни мрежи, а електродвигателите с променлива скорост на въртене бяха рядкост.
Друго важно средство за подобряване на PQ е добавянето на допълнителни блокове, например, добре известните за подобряване на фактора на мощност (cosj). Те оскъпяват устройството, но по принцип това се оказва по-евтино в сравнение с допълнителните разходи поради лошо PQ. Статистиката в Европейския съюз показва, че ежегодните загуби на промишлените и търговските предприятия поради лошо качество на електроенергията са 10 милиарда евро.
Точно определение за “добро” PQ няма, тъй като то зависи от конкретното захранвано устройство – за дадено PQ може да е добро, а за друго да е лошо. Поради това под “добро качество” се разбира онази съвкупност от параметри на електроенергията, при която устройството работи нормално. Тези параметри са продължително и краткотрайно намаляване или увеличаване на мрежовото напрежение, прекъсване на захранването, наличие на хармоници и на преходни процеси.
Влиянието на влошеното PQ е учудващо разнообразно, добър пример за което е изследване, проведено в 1400 града на 8 европейски страни и даващо вероятността за настъпване на определено нежелано събитие.
- Забавяне или блокиране на работата на компютри и комуникационно оборудване с вероятност 24%. Дължи се на зануляването на апаратурите в различни точки на електрическата мрежа, поради което по нулевия проводник протичат високочестотни импулсни токове, водещи до грешки при обмена на данни и съответно задействане на вградените алгоритми за отстраняване на грешките. Поради същите токове нарастват грешките в системите за обработка на данни с нисковолтова логика (разлика 0,4 V между напреженията на логическата 0 и 1).
- Трептене на компютърни дисплеи с вероятност 23%, тъй като неизбежните токове на хармониците на мрежовото напрежение през нулевия проводник създават около него магнитно поле. За избягването му трябва корпусите на приборите да не се зануляват, а с допълнителен проводник да се свържат към една точка на електрическата инсталация на сградата (Point of Common Coupling, PCC).
- Мигане на осветителните тела, отново с вероятност 23%. Дължи се на кратки промени на мрежовото напрежение поради превключване на мощни товари или на краткотрайни къси съединения. Допустимите стойности на промените са обект на международни стандарти.
- Повреда на оборудване с вероятност 20%. Наличието на хармоници в мрежовото напрежение води до допълнителни загуби на енергия в трансформаторите и прегряване на намотките им  (поради нарастване на импеданса) и на сърцевината (поради токове на Фуко). Загубите са пропорционални приблизително на квадрата на честотата на хармониците и могат да са до десетина пъти по-големи отколкото при мрежово напрежение с чисто синусоидална форма. Хармониците предизвикват допълнително нагряване и на индукционните електродвигатели, но освен това създават нежелани пулсации на въртящия им момент, които предизвикват по-бързо износване на лагерите и механичните предавки.
- В устройствата за корекция на cosj също настъпват промени (вероятност 17%). Поради хармониците се влошава работата им и коригирането не е достатъчно ефективно, а могат да се получат и повреди, когато честотата на хармониците съвпадне с резонансната им честота.
- Включването и изключването на мощни товари е свързано с големи импулсни токове, които създават значителни отскоци на напрежението, особено при дълги свързващи проводници. Вероятността от нарушаване на нормална работа на мрежата е 18%, а за намаляването й трябва преоразмеряване на проводниците.
- Нулевият проводник на трифазните мрежи обикновено е по-тънък от останалите, което е потенциален източник на повреда (вероятност 12%) при значителни изравнителни токове през него.
- При наличие на хармоници сумата на амплитудите им може да се окаже от порядъка на тази на основния хармоник и нежелано да задейства предпазни релета или изключватели (вероятност 11%).
- Вероятността хармониците да пречат на оптималното използване на електроразпределителните мрежи е 6% и би трябвало към контрола на реактивната енергия да се прибави и такъв на хармониците.
За подобряване на PQ съществуват множество мерки, които могат да се предприемат, като всяка от тях зависи от вида на причината за влошаване, конкретната електрическа инсталация и допустимите разходи. Добър ориентир при избора на подходяща мярка е споменатото изследване, според което в 62% от случаите за подобряване на PQ е използвана защита от свръхнапрежения (Surge Protection), в 56% - непрекъсваеми захранвания (UPS) и в 52% е въведено измерване на реалната средноквадратична стойност на напрежението. Сравнително по-рядко (в 1/3 или по-малко от случаите) се е прибягвало до частична или цялостна промяна на електрическата мрежа (включително увеличаване на сечението на нулевия проводник) и на заземяването, както и използването на филтри.
Качеството на електроенергията се определя и от множество стандарти. Например, европейският EN50160 се отнася за качеството на електроенергията в мрежи ниско и средно напрежение и задава допустимите граници на всички параметри на напрежението. Според него допустимите бавни промени на напрежението се оценяват чрез средноквадратичната стойност за интервал от 10 min, чиито относителни промени около номиналната стойност трябва да са до ±10% през 95% от седмицата. Честотата се измерва като средна стойност за интервал от 10 s и трябва да е 49,5-50,5 Hz през 99,5% от седмицата и между 47 и 52 Hz през останалото време.

Промени на напрежението
Съществуват два основни типа промени на мрежовото напрежение – краткотрайни и продължителни, като и двата включват и прекъсванията. Най-често се появява краткотрайното намаляване (Voltage Dip, Voltage Sag) VD с продължителност обикновено между няколко десетки ms и 1 min. Според статистическо изследване, в 9 западноевропейски страни намаляване на напрежението до 70% от номиналната му стойност за време 10-100 ms настъпва в 27% от случаите и в още толкова процента за време 0,1-0,5 s. Много по-редки са случаите на намаляване под 70% и за по-продължително време. Средногодишният брой на намаляванията е 85. Най-често те се дължат на краткотрайно нарастване на тока в мрежата при включване на електродвигатели и нагреватели, в резултат на краткотрайни къси съединения (например докосване на неизолиран проводник от разлюляно от вятъра дърво) или увеличаване на импеданса на източника на електроенергия поради влошаване на електрическа връзка. Типични са за индустриални предприятия, но често се появяват и в битови и административни сгради, например при включване на хладилници и климатици. Тези намалявания на напрежението практически не влияят на осветителни тела, нагреватели и електродвигатели, но могат да предизвикат изключване на релета, контактори, драйвери на електродвигатели, мощни захранвания, програмируеми логически контролери и множество подобни устройства. Не по-малко съществено е, че в автоматизирани системи то може да доведе до каскадно изключване на устройства и дори спиране на непрекъснати производствени процеси. Поради това е необходимо да се познава устойчивостта на електрическите съоръжения в такива процеси към VD, която се оценява чрез графика (Dip-Tolerance Curve) с типичен вид на фиг. 1. Според нея, намаляването на напрежението извън защрихованата област не влияе на действието на съоръжението, като се вижда, че това е при прекъсване на напрежението за време до t1 и намаляването му до Ux (най-често 70%) за време до t2. Естествено е двете времена да зависят от вида на съоръжението.
За оценка на устойчивостта към краткотрайни прекъсвания съществуват и стандарти. В IEC61000-4-11 и IEC61000-4-34 на Международната електротехническа комисия са определени три класа, например при съоръженията Class2 стойностите на фиг. 1 са: t1=20ms, t2=0,5s и Ux=70%. Масовото разпространение на компютрите във всички сфери на човешката дейност наложи оценка на допустимите промени на мрежовото напрежение, които не пречат на работата им. Като пример на фиг. 2 са дадени допустимите относителни промени на мрежовото напрежение (по ординатата) и техните продължителности (по абсцисата) според стандарта IEEE446.
Намаляването на напрежението означава доставяне на по-малко енергия на съоръженията и за да няма промяна в тяхното действие, се използват два различни подхода. Единият е умело проектиране на съоръженията, за да не променят действието си при VD, което се постига чрез използване на подходящи и обикновено по-скъпи елементи и/или усложняване на програмните продукти за управление. Вторият подход е осигуряване на допълнителна енергия чрез системи за подобряване качеството на електроенергията (Power Conditioner), които могат да бъдат за цялото производствено предприятие, за съоръженията на отделен технологичен процес, за отделна машина или само за уязвимите към VD елементи и схеми на управляващите блокове на машините.
Според принципа им на действие съществуват 5 основни типа системи за подобряване качеството на електроенергията.
Инжекционни (Injection Technology Based Conditioner), които консумират по-голям ток при VD (например 2 пъти по-голям при намаление на напрежението наполовина) и могат да компенсират VD с продължителност между 60 и 240 ms. Като готови продукти се предлагат за еднофазни и трифазни мрежи и в зависимост от модела осигуряват работата на товари с мощност между 250 VА и няколко МVА.
Индуктивни прибори (Coil Hold-In Device), предназначени основно за предпазване от VD на релета и контактори. Действието им се основава на натрупаната магнитна енергия в бобини, като осигуряват нормална работа при VD до 25% от номиналната стойност на захранващото напрежение.
Ферорезонансни трансформатори (Ferroresonance Transformer, Constant Voltage Transformer), чиято вторична намотка е трептящ кръг. Неговото напрежение се променя с около 5% при VD до 40%, а осигуряваната мощност обикновено е до няколко kVA.
Компенсатори с капацитивна батерия (Standby Capacitor-Based Conditioner). Включват се автоматично при VD и със заряда на кондензаторите си осигуряват захранването вместо мрежата. По-скъпи са от предните видове и в зависимост от модела компенсират VD с продължителност до 1s.
Непрекъсваеми захранвания (UPS). Имат аналогично действие на предните, но са с по-голям заряд и съответно могат да компенсират по-продължителни VD. Масово разпространените UPS (за персонални компютри и други подобни прибори с импулсно захранване) обикновено не могат да се използват за осигуряване на работата на апаратури с релета и контактори поради сравнително голямото си време на превключване към автономно захранване и защото променливото напрежение в голяма част от тях е със силно несинусоидална форма.
За предпазване от VD на постояннотокови товари могат да се използват самите захранващи блокове, които преобразуват мрежовото напрежение в постоянно, но те задължително трябва да съдържат постояннотоков стабилизатор. Значително по-добра е защитата на ключовите стабилизатори благодарение на принципа им на действие – за компенсиране на VD те увеличават продължителността на генерираните в схемата им правоъгълни импулси. С най-добро действие са универсалните захранвания, предназначени за работа с мрежово напрежение в широки граници. Например, когато то е 85-270 V, захранването осигурява нормална работа при VD до 39% от номиналното мрежово напрежение. Най-добри са трифазните захранвания, тъй като VD обикновено настъпват в една или две от фазите – в този случай типичните възможности са компенсиране на VD до 10% с продължителност до 1s. За редките случаи на VD в трите фази едновременно могат да се компенсират VD, не по-малки от 50%.
Краткотрайното увеличаване на мрежовото напрежение с наименование отскок (Transient) е с продължителност до няколко ms и амплитуда, понякога надхвърляща 1 kV. Тя може да предизвика сериозни повреди на електрическите съоръжения и на свързаните към тях товари. Дори при малки и безопасни стойности на отскоците те могат да доведат до грешки в предаването и обработката на данни в компютърните и комуникационните системи. Най-честите причини за появата на отскоци са някои осветителни тела, изключването на електродвигатели и мощни климатици, при от които се получава единичен импулс с време на нарастване около 1 ms и експоненциално намаляване на амплитудата му за време между няколко десетки и няколко стотици  ms. За намаляване или отстраняване на отскоците трябва между фазите и нулата да се свържат ограничаващи прибори (Surge Protector), но за доброто им действие е необходимо качествено и в много точки заземяване на електрическите съоръжения.
Добре известните продължителни промени (по-често намаляване) на мрежовото напрежение са поради недобре оразмерена електрическа мрежа (включително сградните инсталации) и/или претоварването й.

Хармоници
Генераторите в променливотоковите енергийни мрежи им доставят синусоидални напрежения и би трябвало в резултат да протичат синусоидални токове. Нещо повече, необходимо е да има еднакви токове във всяка от фазите на трифазните мрежи и съответно да няма ток в нулевия проводник. В действителност значителна и непрекъснато нарастваща част от товарите са нелинейни, което обуславя несинусоидални токове. Такива товари са всички електронни апаратури, чийто вграден токоизправител консумира ток само през малка част от периода на мрежовото напрежение, т. е. ток със силно несинусоидална форма. Други типични примери за товари с несинусоидален ток са електронният баласт на флуоресцентните лампи и драйверите на електродвигателите с променлива честота на въртене.
Добре известно е, че всеки несинусоидален ток представлява сума от синусоидален ток с мрежова честота f (основен хармоник) и също синусоидални токове с честоти nf, където n е произволно положително цяло число (n-ти хармоник). Протичането на токовете на хармониците в мрежата създава напрежения с тяхната честота, т. е. и мрежовото напрежение престава да е синусоидално. Като пример с плътна линия на фиг. 3 е дадена формата на ток, съдържащ основен хармоник с амплитуда 1, 3-ти хармоник с амплитуда 0,7 и 5-ти хармоник с амплитуда 0,5. Този ток не само не е синусоидален, но амплитудата му е с около 60% по-голяма от тази на основния хармоник и той се нулира 6 пъти в рамките на един период.
Най-съществените отрицателни ефекти от наличието на хармоници са:
- Претоварване на нулевия проводник на трифазни мрежи. Сумата от токовете на основния хармоник на трите фази, протичаща през него, е 0, докато сумата на хармониците не е 0 и дори може да надхвърли тока на фазите. Според статистически изследвания, токът в нулевия проводник на електрическите мрежи в търговски сгради е 1,5-2 пъти по-голям. Безспорно това трябва да се има предвид при проектирането на мрежите.
- Енергийните загуби в трансформаторите нарастват (те са правопропорционални на квадрата на честотата), например около 2 пъти в комуникационни системи, което означава допълнително нагряване и намаляване на експлоатационния срок.
- Възможно е грешно задействане на предпазни релета и контактори във фазите от увеличената амплитуда на тока. От друга страна, токът в нулевия проводник може да задейства устройствата за предотвратяване на кражбата на електроенергия.
- Много управляващи блокове (например тиристорните) осъществяват изключване при преминаване на мрежовото напрежение през нулата. При наличие на хармоници могат да се получат грешни изключвания (вж. фиг. 3).
За реално избягване на влиянието на хармониците върху товарите в дадена мрежа трябва амплитудите им да са в определени граници, с което се осигурява електромагнитна съвместимост (Electromagnetic Compatibility) EMC. Тя включва няколко основни фактора. Емисионното ниво (Emission Level) EL е сумата на създаваните хармоници в произволно място на мрежата. Максимално допустимата стойност на EL на дадено устройство се нарича емисионна граница (Emission Limit). Например, според стандарта EN61000-3-2, токовете на хармониците в мрежи ниско напрежение клас А (в който влизат домашните) трябва да са най-много 1,14 А на 5-ия хармоник, 0,77 А на 7-ия, 0,33 А на 11-ия и 0,21А на 13-ия.
От своя страна, нивото на устойчивост (Immunity Level) IL е най-голямата сума на хармониците, при която устройството запазва нормалното си действие. Голяма част от товарите в мрежата създават хармоници, които по различен начин се сумират в отделни точки, т. е. на едни места са по-големи, а на други – по-малки. Нивото на съвместимост (Comptability Level) CL е стойността на EL, която не трябва да се надхвърля в 95% от измерванията. Например, за мрежа 220 V според стандарта ЕС50160 5-ият хармоник има CL5=13,2V, 7-ият е с CL7=11V, 11-тия – с 7,7V и 15-ият – с 1,1V.

Други параметри на PQ
Прекъсванията на напрежението се разделят на краткотрайни и дълготрайни, като според ЕС50160 границата между двата типа е 3 min. Според този стандарт се допуска за 1 година първите да са между няколко десетки и няколко стотици, а вторите – повече от 10-50.
Дисбалансът се отнася за 3-фазни мрежи и представлява отклонението от идеалния случай, при който напреженията на трите фази са равни и фазовата разлика между тях е 120°. Според ЕС50160, разликата между средноквадратичните стойности на напреженията на нисковолтови и средноволтови мрежи, измерени в интервал от 10 min, не трябва да надхвърля 2% през 95% от седмицата, но за някои области се допуска да е 3%. За високоволтовите мрежи дисбалансът не трябва да е над 1%, тъй като така се осигурява пренасяне на максимално количество енергия. Сред многобройните причини за появата на дисбаланс са несиметричното натоварване на фазите, т. е. нееднаквата консумирана енергия от тях и разликата в импедансите им.
За краткотрайните превишавания на напрежението (Temporary Overvoltage) в ЕС50160 не са дадени границите на продължителността им, а само най-голямата средноквадратична стойност, която за мрежи ниско напрежение е 1,5 kV. Отскоците на напрежението, според стандарта, могат да имат амплитуда до 6 kV, а времето за достигането й (преден фронт) да е с продължителност до няколко ms.

Мерки за подобряване на PQ
Лошото PQ става причина не толкова за повреди на съоръженията, колкото за скъпо струващо прекъсване на работата им, намалена производителност на машините, по-голям разход на електроенергия и загуба на данни в компютърните и комуникационни системи. За подобряването му съществуват многобройни решения, които най-лесно се прилагат при изграждането на нови инсталации. Съществуват и стандарти с мерки за подобряване на PQ, например IEEE Standard 1100-1992. Някои от най-често използваните мерки са следните.

- Удвояване на сечението на нулевия проводник или отделни нулеви проводници на всяка от фазите. Съществуват силови кабели, удовлетворяващи една от тези възможности.

- Поставяне на филтри за спиране на разпространението на хармониците по мрежата или спирането им на входа на устройството. Често филтрите се комбинират със схемите за подобряване на cosj.

- Свързване на не повече от 6 контакта с общи проводници към електрическото табло.

- Падът на напрежение върху проводниците на електрическата мрежа за захранване на чувствителни към смущения апаратури не трябва да надхвърля 2 V, което означава по-голямо сечение на проводниците от нормално приетото. При това, поради несинусоидалния или импулсен характер на тока, неговата стойност при изчисляване на необходимото съпротивление на проводниците трябва да се избира 3-4 пъти по-голяма от тази на захранваните апаратури.

- Съпротивлението на заземяванията (например използваните в комуникационните съоръжения) трябва да е колкото е възможно по-малко, като се препоръчва да не надхвърля 5 W. Подобни са изискванията към заземяването на антените на радио- и телевизионни предаватели.

За избягване на прекратяване на захранването на консуматори съществуват 3 основни подхода:

- Допълнителен генератор с ДВГ и автоматично задействане – гарантира прекъсване за не повече от няколко десетки секунди.

- Акумулаторен блок с преобразувател на постоянно в променливо напрежение - прекъсването е под 1 s.

- Комбинация от горните две решения.

Ключови думи: Качество   електроенергия   напрежение  

Област: статии