Анализ качества электроэнергии в городских распределительных сетях 0,4 кВ

Одной из наиболее актуальных проблем современного электроснабжения является проблема обеспечения качества электроэнергии. Основная причина ухудшения качества электроэнергии – широкое распространение нелинейных нагрузок, создающих при своей работе токи несинусоидальной формы. Их можно представить в виде суммы гармоник, частоты которых кратны основной частоте питающей сети. Высшие гармоники оказывают неблагоприятное влияние на работу силового электрооборудования, устройств релейной защиты и автоматики, вызывают ускоренное старение изоляции [1, 2].

Основным источником гармонических искажений являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей. Однако в последние годы отмечается значительное ухудшение качества электрической энергии в сетях коммерческих и офисных потребителей – торговых комплексов, офисных зданий, учебных заведений. Нелинейной нагрузкой таких потребителей выступает офисное оборудование (персональные компьютеры, серверы, принтеры, блоки бесперебойного питания и т.п.), использующее однофазные источники питания, а также регулируемые электроприводы систем кондиционирования и вентиляции. Освещение выполняется с помощью люминесцентных ламп с электронным балластом. У этой группы потребителей доля

Ухудшение качества электроэнергии в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран. Так, в обзорной статье [2] отмечается, что уровень высших гармоник напряжения в электрических сетях японских городов превышает пределы, установленные стандартом. В обзоре [3] высшие гармоники названы основной причиной ухудшения качества электроэнергии в электрических сетях Тайваня. Анализ гармонического состава токов в распределительных сетях города Белем (Бразилия), приведенный в статье [4], показывает, что уровень третьей и пятой гармоник в некоторых случаях превышает 20 %. Авторы статьи отмечают, что наиболее высокий уровень высших гармоник характерен для распределительных сетей богатых кварталов, где используется большое количество бытовых электронных устройств.

Очевидно, что подобные проблемы характерны и для электрических сетей России. Это подтверждают и результаты анализа качества электроэнергии на предприятиях агропромышленного комплекса и в жилом секторе, проведенные авторами [5].

В настоящей статье приведены результаты измерений показателей качества электроэнергии ряда крупных офисных и коммерческих потребителей Красноярских городских электрических сетей.

Методика проведения измерений

Измерения основных показателей качества электроэнергии, а также гармонических составляющих тока и напряжения проводились при помощи анализатора качества электроэнергии PM175 SATEC. Внешний вид прибора показан на рис. 1.

Прибор позволяет измерять прямые показатели качества электрической энергии по методике ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В процессе работы PM175 заполняется специальный журнал, в котором фиксируются все события, связанные с превышением какого-либо показателя его предельно допустимого значения по ГОСТ 13109-97.

В комплекте с прибором PM175 поставляется программное обеспечение для его настройки, мониторинга показателей качества электроэнергии и параметров сети в режиме реального времени, сбора данных и формирования отчетов. Вычисление значений коэффициентов гармоник осуществляется в соответствии с ГОСТ 13109-97:

K u ( n ) = U V - 100, K i ( n ) = • 100 •

U ₁ I ₁

Рис. 1. Анализатор качества электроэнергии PM175 SATEC

Рис. 2. Схема включения прибора

Здесь I ( n ) , U _: n ) - действующие значения n -й гармонической составляющей тока и напряжения; I 1 , U 1 - действующие значения тока и напряжения основной частоты.

Для измерений была использована схема трехпроводного прямого соединения с двумя трансформаторами тока (рис. 2).

Прибор был настроен на запись значений гармонических составляющих (с 1 до 16) то -ков и напряжении по каждой фазе с интервалом времени три секунды. Осуществлялись измерения и запись коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения с интервалом времени 1 минута. В соответствии с методикой ГОСТ 13109-97 вычисление значений коэффициентов искажения синусоидальности кривых напряжения и тока произ -водилось по формулам

KU

X U (п ) n ^ ⁴⁰-- 100,

U 1

J 2 1 2 )

K = ^=40-- 100.

I           _{I 1}

Измерения показателей качества электроэнергии у каждого потребителя проводились в течение 24 часов.

Анализ результатов измерений

В статье приведены результаты измерений гармонического состава токов и напряжений ряда крупных городских потребителей – супермаркета, офисного центра, учебных заведений. Для каждого потребителя приведены суточные графики зависимостей первой и доминирующих гармоник токов и напряжений. На графиках показаны абсолютные значения первой гар-моники измеряемой величины и относительные, в процентах по отношению к первой, значения высших гармоник. Относительные значения четных гармоник не превышают 1 %, поэтому они не приводятся. Следует отметить, что во всех случаях нагрузка была достаточно симметричной, поэтому с целью экономии места приведена информация о токе в фазе А и междуфазном напряжении U AB .

Супермаркет. Основной нагрузкой этого вида потребителей являются холодильные установки, освещение и кассовое оборудование. График работы предприятия с 7.00 до 01.00. В ночное время включено только аварийное освещение.

Зависимости 1, 3 и 11 гармоник тока в фазе А от времени суток показаны на рис. 3.

Результаты измерений показали наличие высокого уровня 3 и 11 гармоник тока в сети (рис. 3). В ночное время основной нагрузкой являются холодильные установки, поэтому уровень высших гармоник в спектре тока уменьшается.

Зависимости 1 и 11 гармоник напряжения от времени суток показаны на рис. 4. Уровень гармоник напряжения не превышает допустимых значений, определяемых ГОСТ 13109-97.

Процентный состав гармонических составляющих в спектрах тока и напряжения приве-ден в табл. 1.

График изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока представлен на рис. 5. Как видно из рис. 5, в рабочее время значение коэффициента искажения синусоидальности достигает 25 %.

Максимальные, минимальные и средние значения коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения представлены в табл. 2.

Рис. 3. Супермаркет. Гармоники тока в фазе А

Рис. 4. Супермаркет. Гармоники напряжения

Таблица 1. Супермаркет. Нечетные гармонические составляющие тока и напряжения в фазе А.

Номер	Токи			Напряжения
	Минимальное	Среднее	Максимальное	Минимальное	Среднее	Максимальное
3	1,44	8,23	14,29	0,14	0,24	0,43
5	0,86	1,90	3,29	0,15	0,59	1,02
7	1,82	5,80	10,14	0,66	1,02	1,37
9	0,62	3,33	6,28	0,08	0,14	0,28
11	2,22	7,37	12,97	0,74	0,96	1,40
13	1,09	3,74	10,01	0,14	0,15	0,16
15	0,45	1,88	4,49	0,12	0,13	0,14

Рис. 5. Супермаркет. Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока

Таблица 2. Супермаркет. Максимальные, минимальные и средние значения коэффициентов искажения синусоидальности тока и напряжения

Измеряемая величина	Результат измерения
	Фаза А	Фаза B	Фаза C
K U min , %	1,4	1,4	1,3
KU , %	1,8	1,7	1,7
K U max , %	2,2	2,1	2,2
K I min , %	4,2	7,6	5,4
K I , %	14,7	24,1	13,2
K I max , %	25,0	43,2	22,4

Офисный центр . Офисный центр расположен в современном здании, построенном несколько лет назад. Питание потребителей осуществляется от двух трансформаторов мощностью 1000 кВА. Основные потребители электроэнергии – офисное оборудование, системы освещения и вентиляции. Максимум нагрузки приходится на период с 8.00 до 18.00.

На рис. 6 показаны зависимости гармонических составляющих тока в фазе А. Доминирующими являются 1, 3 и 11 гармоники.

На рис. 7 показаны зависимости гармоник напряжения. В спектре напряжения преобладают 11 и 13 гармоники. Однако их величина не превышает значения, определяемого ГОСТ 13109-97.

В табл. 3 приведены относительные значения гармонических составляющих тока и напряжения. Значения коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения приведены в табл. 4 и на рис. 8.

Уровень гармонических искажений токов достигает наибольших значений в рабочее время. Это говорит о том, что основной нелинейной нагрузкой является офисное оборудование и освещение. Следует отметить, что коэффициент искажения синусоидальности кривой тока в офисном центре меньше, чем у других потребителей. Отчасти это можно объяснить тем, что измерения проводились в июне, когда осветительная нагрузка минимальна.

Учебно-административный корпус университета. Он расположен в здании, построенном в конце XIX века. Основную нагрузку составляют освещение, персональные компьютеры и офисное оборудование. Занятия проводятся в одну смену, поэтому максимум потребления электроэнергии приходится на середину дня – с 9.00 до 14.00 часов.

Зависимость гармоник тока в фазе А показана на рис. 9. Преобладающими являются 3 и 5 гармоники тока, их значение достигает 25 % тока основной гармоники. В ночное время относительное содержание высших гармоник в спектре тока выше, т.к. основной нагрузкой является дежурное освещение. В дневное время доля потребителей с линейными характеристиками увеличивается, поэтому коэффициент искажения синусоидальности кривой тока уменьшается.

Рис. 6. Офисный центр. Гармоники тока в фазе А

Рис. 7. Офисный центр. Гармоники напряжения

Таблица 3. Офисный центр. Гармонические составляющие тока и напряжения в фазе А

Номер	Токи			Напряжения
	Минимальное	Среднее	Максимальное	Минимальное	Среднее	Максимальное
3	0,87	4,09	9,75	0,12	0,31	0,62
5	0,27	3,97	14,91	0,12	0,48	1,67
7	0,48	3,93	9,02	0,14	1,01	1,77
9	0,15	3,23	6,27	0,00	0,26	0,88
11	1,71	5,54	15,98	0,11	1,08	1,92
13	0,17	2,43	8,88	0,22	0,84	1,69
15	0,12	1,13	3,76	0,00	0,14	0,44

Таблица 4. Офисный центр. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

Измеряемая величина	Результат измерения
	Фаза А	Фаза B	Фаза C
K U min , %	1.7	1.5	1.5
K U , %	1.99	1.86	1.82
K U max , %	2.4	2.3	2.2
K I min , %	7.4	14.4	11.5
K I , %	10.73	18.25	13.87
K I max , %	16.0	22.3	18.1

Рис. 8. Офисный центр. Коэффициенты искажения синусоидальности:     кривой напряжения (%);

кривой тока (%)

Рис. 9. Учебно-административный корпус. Гармоники тока в фазе А

Рис. 10. Учебно-административный корпус. Гармоники напряжения

Таблица 5. Учебно-административный корпус. Нечетные гармонические составляющие тока и напряжения в фазе А

Номер	Токи			Напряжения
	Минимальное	Среднее	Максимальное	Минимальное	Среднее	Максимальное
3	4,08	9,67	16,96	0,14	0,25	0,68
5	7,85	15,87	24,30	1,26	2,25	3,85
7	0,37	5,11	11,85	0,34	1,14	2,48
9	0,32	2,78	7,43	0,09	0,20	0,40
11	1,17	10,31	26,31	0,16	0,91	1,87
13	0,41	3,89	12,98	0,10	0,36	1,01
15	0,24	2,01	5,41	0,07	0,12	0,26

Спектральный состав напряжения показан на рис. 10. Преобладающими являются 5 и 7 гармоники.

Доля нагрузки с нелинейными характеристиками весьма велика, об этом свидетельствует большое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока (рис. 11).

Средние, максимальные и минимальные значения коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения приведены в табл. 6.

Учебно-лабораторный корпус университета. Учебно-лабораторный корпус расположен в новом здании, сданном в эксплуатацию после 2000 года. Питание потребителей осуществляется от двух трансформаторов мощностью 400 кВА. Основными потребителями являются компьютеры, офисное оборудование и осветительная нагрузка. Общее число персональных компьютеров, установленных в компьютерных классах и аудиториях учебно-лабораторного корпуса, более двухсот. Учебные занятия проводятся с 8.30 до 22.00. Крупной нагрузкой служит система электропитания и охлаждения суперкомпьютера, работающая непрерывно.

Рис. 11. Учебно-административный корпус. Коэффициенты искажения синусоидальности:    кривой напряжения (%); кривой тока (%)

Таблица 6. Учебно-административный корпус. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

Измеряемая величина	Результат измерения
	Фаза А	Фаза B	Фаза C
K U min , %	2.20	2.10	2.40
K U , %	2.97	2.89	3.05
K U max , %	4.30	4.20	4.20
K I min , %	11.10	20.80	13.60
K I , %	24.14	31.95	28.03
K I max , %	40.90	42.70	37.00

Измерения проводились для двух основных вводов. Графики изменения доминирующих гармоник тока в течение суток показаны на рис. 12 и 13. Характер нагрузки на первом и втором вводах различается, поэтому различен и спектральный состав токов. Следует отметить, что относительное содержание третьей гармоники тока наибольшее в дневное время при максимальном потреблении электроэнергии. Причина в том, что значительную долю нелинейной нагрузки этого потребителя составляют источники питания персональных компьютеров.

Зависимость гармоник напряжения от времени суток показана на рис. 14, 15.

Гармонический состав токов и напряжений приведен в табл. 7, 8. На рис. 16, 17 представ-ленны графики изменения коэффициента искажения синусоидальности кривых тока и напряжения в течение суток, а в табл. 9, 10 средние, минимальные и максимальные значения.

Рис. 12. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 1. Гармоники тока

Рис. 13. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 2. Гармоники тока

Таблица 7. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 1. Нечетные гармонические составляющие тока и напряжения в фазе А

Номер	Токи			Напряжения
	Минимальное	Среднее	Максимальное	Минимальное	Среднее	Максимальное
3	5,51	10,61	15,79	0,10	0,26	0,83
5	2,65	6,21	10,53	0,81	1,59	2,43
7	0,20	3,68	8,20	0,14	0,82	1,42
9	0,13	1,16	3,92	0,00	0,24	0,70
11	2,89	6,68	12,96	0,38	0,98	1,74
13	0,12	2,02	7,87	0,00	0,37	1,03
15	0,00	0,50	2,70	0,00	0,14	0,40

Таблица 8. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 2. Нечетные гармонические составляющие тока и напряжения в фазе А

Номер	Токи			Напряжения
	Минимальное	Среднее	Максимальное	Минимальное	Среднее	Максимальное
3	2,00	5,56	11,43	0,10	0,24	0,66
5	0,18	3,05	7,38	0,10	0,47	1,14
7	0,53	2,72	5,00	0,12	1,00	1,73
9	0,30	1,72	3,73	0,00	0,37	1,35
11	0,29	1,56	2,98	0,67	1,33	2,42
13	0,51	1,40	2,84	0,10	0,46	0,96
15	0,42	1,00	1,93	0,00	0,12	0,37

Рис. 14. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 1. Гармоники напряжения

Рис. 15. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 2. Гармоники напряжения

Таблица 9. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 1. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

Измеряемая величина	Результат измерения
	Фаза А	Фаза B	Фаза C
K U min , %	1.70	1.70	1.70
K U , %	2.23	2.28	2.29
K U max , %	2.70	2.60	2.70
K I min , %	11.30	17.20	11.80
K I , %	15.05	22.96	15.35
K I max , %	20.00	29.60	18,40

Таблица 10. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 2. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

Измеряемая величина	Результат измерения
	Фаза А	Фаза B	Фаза C
K U min , %	1.60	1.40	1.40
K U , %	1.99	1.81	1.79
K U max , %	2.50	2.20	2.30
K I min , %	5.70	8.40	6.40
K I , %	7.96	14.72	10.05
K I max , %	13.10	24.90	15.00

Рис. 16. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 1. Коэффициенты искажения синусоидальности: кривой напряжения (%); кривой тока (%)

Рис. 17. Учебно-лабораторный корпус, ввод № 2. Коэффициенты искажения синусоидальности: кривой напряжения (%); кривой тока (%)

Заключение

Результаты проведенных исследований показывают, что проблема обеспечения качества электроэнергии весьма актуальна для распределительных сетей крупных городов. Это подтверждают и исследования других авторов [4, 8, 9]. В сетях крупных коммерческих и офисных – 118 – потребителей наблюдаются значительные искажения формы кривых токов. В ряде случаев коэффициент искажения синусоидальности кривой тока превышает 30 %. Отметим, что измерения проводились на кабельных вводах. Во внутренних сетях зданий искажения токов и напряжений значительно выше. Коэффициент искажения синусоидальной формы кривой токов может превышать 100 % [7, 8]. В этом случае потери электроэнергии во внутренних сетях зданий увеличиваются в 2–2,5 раза по сравнению с синусоидальным режимом.

Серьезную проблему представляют токи третьей гармоники, суммирующиеся в нейтральных проводниках. Это приводит к увеличению потерь и в ряде случаев – к авариям, вызванным перегоранием нейтрального провода. Кроме того, большие уровни токов третьей гармоники вызывают дополнительный нагрев обмоток трансформаторов и могут вызвать повреждение их изоляции.

Российский ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» устанавливает допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. Однако допустимые значения синусоидальности кривой тока ГОСТ 13109-97 не нормирует.

Для того чтобы оценить, насколько велик уровень искажения токов, обратимся к международным стандартам. В электротехнической практике часто используют европейский стандарт EN 50160 и стандарт IEEE 519-1992. Эти стандарты определяют максимальные значения токов нечетных гармоник в процентах от тока нагрузки. В соответствии со стандартом IEEE 519-1992 [1] максимальное значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока зависит от отношения тока короткого замыкания сети в точке общего присоединения к току нагрузки. В случае мощной сети (100 <  L SC / I L < 1000) максимальное значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока не должно превышать 15 %. Токи гармоник с порядковыми номерами n < 11 должны быть меньше 12 % от тока нагрузки I L . Результаты проведенных измерений показывают, что в большинстве случаев коэффициент искажения синусоидальности кривой тока превышает допустимые значения, определяемые международными стандартами.

Электрические сети офисных зданий, построенных в 60-90 годы, рассчитаны на относительно небольшие нагрузки. Широкое использование современного офисного оборудования может привести к их перегрузке. Замена кабелей в таких зданиях может потребовать значительных капитальных затрат. Следует учитывать и режим использования офисного оборудования. Как правило, персональные компьютеры включены в течение всего рабочего дня, а часть устройств (например серверы) работает круглосуточно.

Очевидно, что широкое использование энергосберегающих устройств, имеющих нелинейные характеристики, может приводить к увеличению гармонических искажений токов и напряжений. Поэтому мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности должны предусматривать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения.

Опыт показывает, что наибольший эффект дает использование специальных компенсирующих устройств – активных и пассивных фильтров гармоник. Необходимо создание активно-адаптивных устройств, обеспечивающих управление основными параметрами, определяющими эффективность и качество электроснабжения – коэффициента мощности, уровня – 119 – гармонических искажений, дозы фликкера и т.д. Решение перечисленных задач будет способствовать повышению качества и надежности электроснабжения в городских электрических сетях.

P. 1521–1528.