Международная конференция по распределительным сетям 2001 - Качество электроснабжения и электромагнитная совместимость

Заседание секции 2 “Качество электроснабжения и электромагнитная совместимость”. Во вводном докладе по теме “Электромагнитная совместимость и безопасность” сообщалось о результатах совместной работы CIGRE и CIRED, посвященной воздействию магнитных полей на человека, эффективности измерения полей на подстанции, их воздействию на аппаратуру автоматики, а также на металлические трубы. Особое внимание в работах уделено влияниям в условиях аварийного режима, при грозовых перенапряжениях, интенсивной короне.
При наличии высокочастотных влияний от импульсных преобразователей и токов, протекающих при грозовых разрядах, в нескольких докладах показана важность оптимального размещения вычислительной техники относительно источников помех. Рассматривалась при этом и проблема защиты от перенапряжений установок потребителей, например, высотных зданий.
Два доклада были посвящены возникновению напряжения прикосновения и шагового во время близких КЗ на подстанции. Для городских районов рекомендуется общее заземление сетей ВН и НН, раздельное заземление практически невыполнимо. Опасность высоких значений напряжения прикосновения снижается при многократном заземлении нейтрали. В сельской местности из-за выноса потенциала возможны значительные повышения напряжения.
В дискуссии подчеркивалось, что за повышение напряжения прикосновения в сети НН у потребителя ответственным является хозяин распределительной, а не магистральной сети. Докладывалось также о концепции глобального заземления (рекомендации Cenelec HD 637-SI).
Во многих докладах описаны возможности снижения магнитных полей вблизи трансформаторов, коммутационных аппаратов и шин на подстанциях с помощью оптимального размещения оборудования, установки защитных экранов, систем компенсации полей.
Снижениям напряжения и перерывам в электроснабжении была посвящена почти треть докладов. Для прогнозирования и планирования непрерывного электроснабжения различных потребителей с ограниченными средствами могут применяться расчеты на основе цепей Маркова или метода Монте-Карло.
“Любимыми” параметрами для описания являются число и продолжительность перерывов питания. Если до сих пор эти параметры использовались для определения слабых мест в сети, то при либерализации рынка электроэнергии они стали служить для планирования и проектирования новой структуры сети по параметру отношения затрат к полученной пользе. Статистически определено как ‘‘хорошее” состояние электроснабжения, когда для сети СН в течение года общая продолжительность перерывов находится в пределах 15-40 мин в год. В сетях НН эти цифры несколько выше.
При оценке качества электроэнергии и разработке мероприятий по его повышению необходимо учитывать разницу в сельских и городских тарифах, плотность нагрузки, географические и климатические различия в зонах, погодные условия, фиксируемые в течение не менее 3 лет.
В странах с высокой степенью государственного регулирования энергокомпании подвергаются штрафу при недостаточном качестве электроэнергии или получают премии за высокое качество. При свободном рынке электроэнергии расчеты ведутся на основании условий договора между энергопредприятием и потребителем.
Истинные потери в промышленности и торговле в зависимости от страны и условий в секторе потребления составляют на один отказ в питании 0,2 - 1 - 10 дол/кВт и 3-10-50 дол/(кВт · ч) при продолжительности перерыва 1 ч и 0,5 - 2 - 5 дол/(кВт · ч) при времени перерыва в 1 сут. В одном докладе сообщается, что усредненные потери по всем потребителям в год в зависимости от структуры сети составили от 11 до 100 дол. на потребителя.
Целенаправленные мероприятия со стороны потребителя, как правило, более эффективны, чем со стороны питающей сети, поэтому некоторые энергопредприятия не только планируют такие меры, но и финансово их поддерживают соответствующими тарифами. Часто достаточно использования источников непрерывного питания небольшой мощности для питания компьютеров. Почти две трети перерывов напряжения могут быть устранены включением добавочного напряжения, управляемого электроникой (Uдоб < 0,3Uном). Такие бустерные установки применяются в сетях как СН, так и НН.
Во многих случаях для потребителя проблему решает быстрая смена питающей сети (при механическом переключателе менее чем за 25 мс, а при электронном - менее чем за 5 мс). При электронном управлении устройством РПН в силовом трансформаторе можно значительно стабилизировать питание не только для отдельных приборов, но и для всего присоединения. При групповом пуске асинхронных двигателей посадка напряжения устраняется соответствующей программой их включения, в том числе, и после общего аварийного отключения.
Во вводном докладе на тему “Помехи” от имени рабочей группы CCU2 (CIGRE РГ 36.05, CIRED 2 и UIEPO) рассмотрены помехи от промежуточных гармоник, процессов при включении конденсаторов, показаны результаты статистического анализа колебаний напряжения и реакции приемников на высшие гармоники и фликкер. Даны рекомендации по изготовлению измерителя фликкера, способного проводить измерения и в сети 100 В. Подчеркнуто, что при дальнейшем развитии дерегулирования и распределения источников энергоснабжения внимание к таким измерениям будет усиливаться.
Подробно рассмотрены в докладах проблемы высших гармоник в сетях. До сих пор для сетей НН не определены предельные значения их содержания. Наблюдаемый рост содержания пятой гармоники на 1% за 10 лет при сегодняшнем уровне 4 - 5% может потребовать определения допустимых пределов. Допустимый уровень гармоник должен устанавливаться как для точки подключения к сети, так и для самого приемника электроэнергии. Примером влияния гармоник может служить отказ действия дифференциальной защиты трансформатора при уровне третьей гармоники тока больше 66%.
Потери от высших гармоник в сетях, генераторах и двигателях только в ФРГ составляют за год от 700 до 1240 ГВт · ч, что соответствует производительности 500 ветроустановок мощностью по 1 МВт. Проблемы снижения уровня гармоник в сети успешно решаются с помощью фильтров, тщательно подобранных с учетом возможных резонансов с зависящим от нагрузки полным сопротивлением сети.
Были рассмотрены методы моделирования фликкера. Обычно считают, что изменения тока в сети пренебрежимо мало влияют по сравнению с воздействием колебаний напряжения. Поэтому надо точно моделировать нагрузку от пуска электродвигателей с учетом последующего колебательного процесса. При расчете фликкера рекомендуются одновременные измерения напряжений и токов в точке подключения питания, что позволяет разделить фликкер, производимый самой нагрузкой, и фликкер, уже имеющийся в сети.
Вызываемый дуговыми печами фликкер имел при измерениях на металлургическом комбинате уровень, превышающий современные нормы, однако при этом незаметно было колебаний света, что ставит под вопрос справедливость этих норм. Большой опыт датских энергетиков показывает, что фликкер при работе ветроустановок может достичь предельных величин лишь в сетях 10 кВ, да и то в неблагоприятных обстоятельствах, а для сети более высоких напряжений это воздействие вообще незаметно.
Несимметрия напряжений очень мало зависит от расположения проводов ВЛ; главным образом она вызывается неодинаковым распределением однофазных нагрузок. Анализ показывает, что предельная величина асимметрии (2%) не превышается с вероятностью 95% и лишь изредка и кратковременно может достигать 5%.
По теме “Контроль качества энергии и новые технологии” авторы многих докладов описывают методику измерения качества электроэнергии. Такой контроль позволяет улучшить эксплуатацию, обеспечить раннее распознавание слабых мест в сети и вовремя поддержать профилактикой и плановым ее усилением качество электроснабжения потребителей. Из таких параметров, как например, “планируемый резерв”, легко получить усредненное значение оценки качества и разработать соответствующие тарифы.
Централизация результатов измерений в сети позволяет при параллельной обработке обеспечить автоматизированное исследование причин ухудшения качества, определение места источника помех, анализировать тенденции изменений уровня помех и лучше понять характер дефекта. Используются для этого методы единичного импульса, принцип нейронных сетей, нечеткой логики, экспертных систем и эволюционирующих алгоритмов.
Хотя стоимость измерительной аппаратуры контроля качества снижается, все же однократные расходы при установке аппаратуры в одном месте составляют 5000 евро и далее ежегодно по 2500 евро. Это заставляет ограничиваться несколькими немногочисленными точками измерений в сетях ВН и СН, а также в местах подключения крупных потребителей.
Опрос потребителей по вопросам качества, проведенный в Германии, показал, что почти половина промышленных предприятий и потребителей вторичного сектора уже, как минимум, имеют проблемы: неправильная работа защиты, сокращение срока службы оборудования, фликкер. Помогают главным образом источники непрерывного питания, прокладка новых линий и распределенная система заземления.
Из новых устройств для повышения качества электроэнергии был представлен быстродействующий переключатель, коммутация каждого его полюса синхронизируется с напряжением, что позволяет избежать возникновения перенапряжений в переходном процессе или больших начальных токов при включении трансформаторов и конденсаторов.
Представлены также активные фильтры на IGBT- транзисторах в пределах мощности до нескольких мегавольт-ампер с различными схемами, стратегией регулирования и вариантами исполнения. В сочетании с пассивными фильтрами они могут динамично снижать уровень высших гармоник, фликкера, компенсировать реактивную мощность. Фликкер снижается в 5 раз, искажения напряжения - в 3 раза.
Все возрастающее распространение децентрализованного энергоснабжения с применением топливных элементов, аккумуляторных батарей и микротурбин с маховиками в комбинации с активными компенсаторами также может решить многие проблемы повышения качества электроэнергии.
В дискуссии на тему “Вперед к общей системе заземления?” обсуждалось возникновение выноса потенциала при токах замыкания на землю в сетях ВН и значение напряжения прикосновения при этом.
Дискуссия на тему “Экономика качества электроснабжения” началась с перечисления параметров норм EN50160 по качеству напряжения. Вместе с параметрами надежности они оценивают качество электроснабжения. Взаимное влияние сети и нагрузки потребителей, включая децентрализованное энергоснабжение, является противоположным. Это требует финансовой ответственности производителя, владельца сети и потребителя. Должны учитываться потери из-за ухудшенного качества электроэнергии у потребителя, так же как и стоимость корректирующих мероприятий (локальные решения - для потребителя), и/или в сети (глобальные решения).
Обсуждалась польза индексов качества с точки зрения заключения договоров, страхования, различия между географическими зонами. Норвежский специалист сообщил, как воздействует либерализация рынка энергии на сетевую компанию. Пока из-за недостаточного промежутка времени наблюдений не был выработан допустимый предел перерывов питания. Мощность короткого замыкания в сети часто сильно снижена, а в периоды минимума нагрузки производство электроэнергии перекладывается на малоэффективные электростанции. По этой причине даже в сети ВН растет уровень фликкера и высших гармоник. Все чаще происходят перенапряжения из-за переходных процессов, так как из-за разгрузки оборудования (трансформаторы, конденсаторные батареи) повышается число их включений. В этом случае полезно применять синхронизированные выключатели.
Спорный случай: кто подсчитает взаимные претензии, если, например, при отключении в магистральной сети наносится вред потребителю, питающемуся от распределительной сети. Вряд ли возможно координировать ремонтные работы в сетях или вывод из работы оборудования.
В Италии особое внимание обращают на повышение качества энергоснабжения со стороны потребителя. Разрабатываются установки гарантированного питания на аккумуляторных батареях, маховиковых накопителях, сверхпроводниковых индуктивных катушках в диапазоне мощностей от 0,1 до 1,0 МВ · А. КПД этих устройств достигает 99%, кроме устранения провалов напряжения, они снижают фликкер, высшие гармоники и несимметрию. Стоимость установок при серийном производстве составляет 350 - 440 евро/(кВ · А).
Официальный регулирующий орган требует точного учета перерывов питания, в том числе по частоте повторения, продолжительности, накопленного времени перерыва “D”, среднего времени восстановления питания, причин перерывов, числа пострадавших потребителей во всех классах напряжения. Различное для разных регионов время “D” должно быть в пределах от 30 до 60 мин. Из-за штрафов энергопредприятия концентрируют свое внимание почти исключительно на том, чтобы выдерживать допустимые пределы перерывов.
При свободном рынке электроэнергии потребитель интересуется, в первую очередь, энергопредприятиями с низким качеством электроэнергии и низкими тарифами, при этом только в редких случаях принимаются собственные решения по его улучшению. Поэтому на, так называемые, улучшенные источники непрерывного питания пока почти нет спроса.
Исследования в США по осуществлению бесперебойного энергоснабжения применительно к потребителю направлены на питание отдельных, специализированных предприятий. Статистика показывает, что только треть провалов напряжения превосходит 30%, глубокие посадки и перерывы питания причиняются почти исключительно распределительными сетями, в то время как причинами небольших посадок в 2/3 случаев являются магистральные сети. Для оценки ущерба разным энергоприемникам дается различный весовой коэффициент влияния перерывов питания. Таким путем можно рассчитать снижение потерь при использовании различных мер как со стороны сети, так и потребителя. Минимум суммы остающегося ущерба и стоимости мероприятий соответствует оптимальному решению для потребителей. Примеры показывают, что во многих случаях принимаемые меры могут не требовать использования накопителей энергии.
Меры по улучшению энергопитания проводятся в следующем порядке: классификация энергоприемников - ввод защитных систем при регулировании и управлении процессом - ввод систем непрерывного питания или быстрого переключения на другую сеть - изменение структуры сети в целом.
Экономически оптимальные решения для изменений структуры сети, в том числе, отделение предприятия от городской сети, из которой идет большинство помех, лучше достигают своей цели, если принимаются на стадии планирования.