Анализ показателей качества электроэнергии в точках её передачи на напряжении 0,22 кВ

Введение. Обеспечение качественной электроэнергией потребителей является актуальной задачей электроснабжающих организаций. Это обусловлено тем, что ряд электрических сетей имеет неудовлетворительное состояние отдельных элементов, ведущее к большому количеству отказов, сверхнормативным потерям электроэнергии и снижению сроков службы электрооборудования в узлах нагрузки [1–4]. К показателям качества электрической энергии, часто выходящим за рамки нормируемых значений по ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», относятся: медленные изменения напряжения, уровень несимметрии напряжения, отдельные коэффициенты n -ых гармонических составляющих напряжения [5, 6, 7].

Постановка задачи. Сетевые организации имеют в своей структуре лаборатории по контролю ПКЭ. Каждая из таких лабораторий проводит периодический мониторинг ПКЭ в центрах питания (ЦП), а также на 1–3 трансформаторных подстанциях (ТП) 6(10)/0,4 кВ, в зависимости от схемы питания и величины потерь напряжения в данном ЦП [8].

Основная проблема низкого качества поставляемой потребителям электроэнергии заключается в том, что измерения, выполняемые на шинах 0,4 кВ ТП 6(10)/0,4 кВ, регистрируют уровень ПКЭ в начале отходящих линий, но при этом нет достоверных данных об уровне напряжения в точках передачи электроэнергии, учитываемой электросчетчиками, в конце отходящих от ТП линий, а также у потребителей, подключенных вблизи шин напряжением 0,4 кВ ТП.

Рассматривая современные узлы нагрузки, необходимо обратить внимание на их насыщение электроприёмниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками с учётом того, что бытовые электроприборы, эксплуатируемые на территории РФ, в обязательном порядке проходят сертификацию, при которой проверяется форма кривой тока, генерируемая электроприёмником. Однако обзор литературных источников свидетельствует о имеющих место частых искажениях формы кривой тока и напряжения в сетях напряжением 0,38 кВ [9–11].

Целями данной статьи являются:

– идентификация реальных значений ПКЭ в точках передачи электроэнергии сельским электропотребителям в начале и в конце сети 0,22 кВ;

– проведение анализа измеренных величин и установление ПКЭ в точках передачи электроэнергии, имеющих отклонения от норм [5].

Материалы и методы исследования. Исследование ПКЭ в точках передачи электроэнергии однофазным электропотребителям выполнялось в сельских электрических сетях 0,22 кВ. Измерения проводились при помощи анализаторов качества электроэнергии (КЭ) «Прорыв-КЭ», внесенных в Государственный реестр Приказом Росстандарта № 1286 от 20.08.2014 г.

Анализатор КЭ «Прорыв-КЭ» предназначен для измерения и регистрации характеристик напряжения, а также временных характеристик ПКЭ по [5] в электрических сетях с номинальной частотой 50 Гц. Все анализаторы КЭ на момент измерений имели свидетельства о поверке.

Точки подключения приборов выбирались в местах разграничения балансовой принадлежности между потребителем и сетевой компанией на напряжении 0,22 кВ (рисунок 1 а ). Схема подключения прибора «Прорыв-ПКЭ-А» в сети напряжением 0,22 кВ представлена на рисунке 1 б .

а

б

а – точка подключения анализатора КЭ; б – схема подключения анализатора КЭ к однофазной сети 0,22 кВ Рисунок 1 – Схема подключения прибора для мониторинга ПКЭ к однофазной электрической сети 0,22 кВ

Выборка измерений ПКЭ за период с 2019 по 2020 гг. составила 212 измерений. Измерения проведены по методике ГОСТ 33073-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Измерялись следующие ПКЭ:

• –    отклонение частоты ∆f;

• –    медленные изменения напряжения (положительное δU (+) и отрицательное δU (-) отклонение напряжения);

  – несинусоидальность напряжения (суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения K U , коэффициенты гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка K U(n) ).

Продолжительность измерения составляла 7 суток.

Выборка результатов измерения для одного из контролей, представленных в таблице 1. Для анализа коэффициентов n-ых гармонических составляющих напряжения выбирались только те гармоники, у которых обнаруживалось превышение нормативных значений. Установлено, что коэффициенты гармонических составляющих напряжения 3-й, 9-й, 15-й, 21-й гармоник выходили за пределы нормативных значений по ГОСТ 32144-2013. Поэтому для по- следующего анализа были выбраны именно эти ПКЭ.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ результатов мониторинга ПКЭ показал, что во всех проведенных случаях показатели «отклонение частоты» ∆f и «суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения» K U соответствовали требованиям ГОСТ 32144-2013. Другие измеренные ПКЭ имели отклонения от норм ГОСТ 321442013 (рисунок 2).

Уровень отклонения напряжения связан с характерными графиками нагрузки, который может влиять на данный показатель как в положительную, так и в отрицательную сторону. Временные диаграммы изменения фазных напряжений, полученные в ходе мониторинга, показали, что в вечерние часы максимума нагрузки уровень напряжения наиболее часто снижался в отрицательную сторону (рисунок 3).

Основными причинами несоответствия положительных отклонений напряжения являются: близкое расположение узла нагрузки к шинам 0,4 кВ ТП 6(10)/0,4 кВ, заведомо завышенное напряжение на стороне 6(10) кВ, неправильно выставленный коэффициент трансформации на ТП, несимметрия нагрузок на линии.

Таблица 1 – Отклонение показателей качества электрической энергии в одной из точек передачи электроэнергии

Измеренный ПКЭ	Время измерений	Измеренное значение	Нормативное значение	Время превышения нормативного значения
				Т 1 , %	Т 2 , %
Отклонение частоты	95%	-0,03	-0,20		0,00
		0,02	0,20		0,00
	100%	-0,05	-0,40	0,00
		0,04	0,40	0,00
Отклонение напряжения δU, %	100%	-17,70	-10,00		13,89
		7,70	10,00		0,00
Суммарный коэффициент гармонических составляющих K U , %	95%	7,01	8,00	0,00
	100%	7,30	12,00		0,00
Коэффициент 3-й гармонической составляющей напряжения K U(3) , %	95%	5,96	5,00	26,39
	100%	6,30	7,50		0,00
Коэффициент 9-й гармонической составляющей напряжения K U(9) , %	95%	2,18	1,50	37,50
	100%	2,52	2,25		3,47
Коэффициент 15-й гармонической составляющей напряжения K U(15) , %	95%	0,83	0,3	97,92
	100%	0,99	0,45		84,72
Коэффициент 21-й гармонической составляющей напряжения K U(21) , %	95%	0,29	0,20	38,89
	100%	0,31	0,30		2,08

■ Соответсвует ГОСТ ■ Не соответствует ГОСТ

Рисунок 2 – Распределение соответствия показателей качества электроэнергии

Анализ показал, что положительные отклонения напряжения не соответствовали нормируемому значению в 50% измерений. Основная доля измерений (73%) приходилась на часы минимума нагрузок на суточном графике. Сете- вые компании решают проблему завышенного напряжения путем переключения коэффициента трансформации силового трансформатора либо симметрированием нагрузок в сети.

Рисунок 3 - Временная диаграмма относительного изменения отклонений напряжений в течение суток

Отрицательные значения отклонения напряжения в 38,7% измерений не соответствовали нормам (рисунок 3). В основном нарушение допустимого значения отрицательного отклонения напряжения связано с ростом электропотребления в часы пиковых нагрузок. К тому же некоторые линии имели относительно большую протяженность с большим количеством подключенных абонентов, что в итоге приводило к большим потерям напряжения на линии. Для приведения отрицательного отклонения напряжения в соответствие нормативным значениям проводят аналогичные мероприятия с нормализацией положительных отклонений напряжения, а также осуществляют проверку контактных соединений, в редких случаях проводят реконструкцию линии, а также, у особо проблемных потребителей, устанавливают повышающий трансформатор (бустер).

Уровень токов высших гармоник напрямую зависит от количества электроприёмников с нелинейной вольт-амперной характеристикой в узле нагрузки [9, 12, 13]. Превышение нормативных значений коэффициента 3-й гармонической составляющей напряжения было установлено в 73 измерениях, при этом наблюдалось несоответствие измеренной в 95% времени. Величина данного коэффициента изменялась от 0,56 до 7,22%, а среднее значение составило 4,11%. Анализ измерений с превышением нормативных значений коэффициента 3-й гармонической составляющей напряжения показал, что среднее время превышения норматива по данному коэффициенту составило Ті=17,66%.

Также в ходе измерений имело место превышение нормативных значений коэффициентов 15-й и 21-й гармоник напряжения (76,42% и 61,32% случаев соответственно в течение 95% времени).

Для ПКЭ, выходящих за нормативные значения, была проведена статистическая обработка результатов измерений. Результаты, представленные в таблице 2, обрабатывались методами описательной статистики с точечной оценкой параметров распределения случайных величин.

Как следует из таблицы 2, коэффициент 15-й гармонической составляющей напряжения, измеренный в течение 95% времени, изменялся в диапазоне от 0,1% до 0,83%, что характеризуется размахом в 0,73%. Мера разброса характеризуется стандартным отклонением 19,2% при стандартной ошибке 1,7%. Статистическое распределение коэффициента 15-й гармонической составляющей напряжения располагается не остроконечно (эксцесс составляет -0,667) и несимметрично относительно среднего значения со смещением вправо, о чем свидетельствует асимметрия 0,564.

С учётом результатов значений среднего времени превышения нормативных значений ПКЭ из таблицы 2 можно утверждать, что особо выделяются значения 15-й и 21-й гармоник напряжения. Это согласуется с результатами исследований других авторов [10,12-14].

Таблица 2 – Результаты статистической обработки ПКЭ, превышающих нормативные значения в сельских электросетях

Статистические показатели	δU (-)	δU (+)	K U(3)Т1	K U(3)Т2	K U(9)Т1	K U(9)Т2	K U(15)Т1	K U(15)Т2	K U(21)Т1	K U(21)Т2
Среднее	9,783	9,779	4,111	4,505	0,91	1,02	0,398	0,487	0,217	0,269
Стан.ошибка	0,598	0,258	0,094	0,099	0,026	0,028	0,013	0,017	0,008	0,010
Стан.отклонение	8,710	3,753	1,372	1,450	0,376	0,414	0,192	0,247	0,121	0,152
Дисперсия выборки	75,872	14,088	1,881	2,104	0,142	0,0171	0,037	0,061	0,015	0,023
Эксцесс	-0,073	0,384	0,024	0,121	0,962	0,808	-0,667	-0,412	1,169	1,283
Асимметричность	0,831	-0,801	-0,242	-0,413	0,753	0,738	0,564	0,703	1,205	1,241
Min	0	0	0,56	0,69	0,27	0,31	0,1	0,11	0,01	0,01
Max	36,71	15,89	7,22	7,36	2,23	2,52	0,83	1,18	0,58	0,76
Среднее время превышения нормативного значения	20,88	15,36	17,66	0	13,33	3,47	40,48	25,72	29,06	18,25

Среднее значение «отклонения напряжения» у потребителей составило ±9,78%. Следует отметить, что в узлах нагрузки некоторых потребителей был настолько низкий уровень напряжения, что работа электроприборов становилась невозможной. При этом зафиксировано максимальное отклонение напряжения в -36,71% (таблица 2).

По действующему стандарту номинальное напряжение должно составлять 230 В (ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные»). С учетом этого количество случаев выхода ПКЭ за нормированное значение и время нарушения нормативного значение положительного отклонения будет меньше.

Выводы

• 1.    В сельских электрических сетях 0,22 кВ уровень напряжения продолжает оставаться у потребителей неудовлетворительным по «установившемуся отклонению напряжения». Для более объективной информации о состоянии ПКЭ в сельских электрических сетях при проведении периодического мониторинга необходимо проводить мониторинг не только на шинах 0,4 кВ ТП, но и у потребителей, находящихся в начале и в конце отходящих линий.

• 2.    В ходе исследований было выявлено наличие в сети 0,22 кВ токов 3-й гармоники, которые являются наиболее существенными по отношению к основной гармонике. В некоторых случаях коэффициент 3-й гармонической составляющей напряжения достигал значений 7,36%.

• 3.    Исследованием установлено частое нарушение нормируемых значений двух показа-

• телей: коэффициентов 15-й и 21-й гармонических составляющих напряжения.