Проблемы электроснабжения городов-миллионников

Распределительные устройства напряжением 10 кВ трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ комплектуются КРУ серии ВВН «Вертикаль», в которых используется вакуумный выключатель нагрузки (ВВН). Параметры ВВН определяются применяемыми в нем вакуумными дугогасительными камерами. Значение номинального тока 1000 А и номинального тока отключения 20 кА при номинальном напряжении 10 кВ достигается применением камер нашего производства. На более низкие параметры можно применить иные вакуумные дугогасительные камеры с торцевой контактной системой. Подключение силовых трансформаторов в ТП 10/0,4 кВ осуществляется КРУ серии ВВП «Вертикаль», в котором, в отличие от предыдущей серии, добавлена функция автоматического отключения, то есть вакуумный выключатель, выполняющий функции предохранителя. Приемником такой команды служит небольшой соленоид, управляемый энергией трансформаторов тока при возникновении аварийного режима. Параметры этого комплектного распределительного устройства также определяются вакуумными дугогасительными камерами.

2.2 Обзор современных микропроцессорных устройств для контроля качества электрической энергии в системе электроснабжения

При инструментальном обследовании систем электропотреления измеряются следующие параметры (Рисунок 4):

· расход энергии (активной и реактивной);

· параметры качества электрической энергии (таблица 1) в течение 7 суток [14];токи нагрузки электрических сетей, трансформаторов и электроприемников;

· время работы электропотребляющего оборудования.

Расходы активной и реактивной нагрузки записываются на вводах в организацию и вводах отдельных зданий организации (цехов) [15, 16]. Параметры качества электрической энергии фиксируются на вводах в здания в распределительных устройствах за период времени 7 суток (согласно [1]). Токи нагрузки электрических сетей, трансформаторов и электроприемников фиксируются вместе с замерами параметров качества электроэнергии в течение 7 суток.

Основными приборами, которые могут использоваться для исследования систем электроснабжения являются:

· токоизмерительные клещи;

· приборы учета электрической энергии;

· информационно-измерительные системы;

· анализаторы качества электрической энергии.

2.2.1 Сравнение микропроцессорных устройств для анализа качества электрической энергии

В настоящее время существует множество приборов для анализа КЭ, которые имеют свои конструктивные особенности и программное обеспечение для формирования протокола испытаний качества электрической энергии и представления информации о ПКЭ в удобном для пользователя (заказчика) виде.

Рассмотрим подробнее результаты работы приборов для измерения ПКЭ, на примере, Metrel MI 2792A PowerQ4 Plus и на примере приборов серии «Ресурс» (такие как «Ресурс-ПКЭ 1,7» и «Ресурс-UF2M»).

Программное обеспечение, предназначенное для связи Metrel MI 2792A PowerQ4 Plus с ПК и импорта измеренных данных представляет информацию в виде протокола испытаний электрической энергии, а также в виде графиков для более наглядного представления. На рисунках 4-7 более подробно представлены графики и гистограммы.

Рис. 4. График отклонения частоты

На рисунке 4 представлен график отклонения частоты. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых (темно-зеленый цвет) и предельно-допустимых (светло-зеленый цвет) границ. Если же линия графика выходит в область обозначенную белым цветом, это говорит о несоответствии отклонения частоты требования ГОСТа.

Рис. 5. График отклонения напряжения

На рисунке 5 представлен график отклонения напряжения. На вертикальной оси координат представлены единица измерения напряжения - Вольт, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике фазы напряжения показаны разными цветами, а также, визуально обозначена зона предельно-допустимых границ - зеленый цвет. Также, горизонтальной линией обозначена граница провала напряжения.

Рис. 6. Гистограмма гармонических колебаний напряжения

На рисунке 6 представлена гистограмма гармонических колебаний. Для наглядности фазы напряжения обозначены разными цветами. На вертикальной оси координат обозначена единица измерения коэффициента гармонических колебания напряжения - %, на горизонтальной - пронумерованы гармоники.

Рис. 7. Соответствие ПКЭ ГОСТу

На рисунке 7 представлены гистограмма соответствия ПКЭ ГОСТу. На горизонтальной оси координат представлены основные ПКЭ. На вертикальной оси координат показывает нам степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (в %), т. е. если показатель выходит за линию в 100% (нормализованное значение порога) - ПКЭ не соответствует ГОСТу. Для удобство анализа предельно и нормально допустимые границы обозначены разными цветами.

Предлагаемый способ отображения информации имеет свои плюсы и минусы. Достоинства предлагаемого метода:

- графики наглядно представляют степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (благодаря цветовым обозначениям нормально и предельно допустимых границ);

- графики характеризуют ПКЭ на протяжении всего времени измерений;

- гистограммы позволяют анализировать сразу несколько ПКЭ одновременно.

Среди недостатков данного метода можно выделить:

- непрактичность гистограмм при использовании нескольких рядов данных (один ряд частично перекрывает собой другой), что затрудняет анализ;

- графики не позволяют анализировать несколько ПКЭ одновременно из-за различных единиц измерения ПКЭ;

- отсутствие возможности анализа коэффициентов гармонических колебаний на протяжении всего времени измерения (т.к. на гистограмме показаны максимальные значения).

Рассмотрим способ отображения ПКЭ при использовании приборов серии РЕСУРС (таких как «Ресурс-ПКЭ-1,7» и «Ресурс-UF2М»). На рисунках 8-12 представлены графики и гистограммы.

Рис. 8. График отклонения напряжений

На рисунке 8 представлен график отклонения напряжений. На вертикальной оси координат представлены единица измерения отклонения напряжения - %, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике фазы напряжения показаны разными цветами.

Рис. 9. График отклонения частоты

На рисунке 9 представлен график отклонения частоты. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 10. График коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности

На рисунке 10 представлен график коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности. На вертикальной оси координат представлена единица измерения коэффициента несимметрии по нулевой и обратной последовательности - %, а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 11. Гистограмма коэффициентов гармонических составляющих напряжения

На рисунке 11 представлена гистограмма коэффициентов гармонических составляющих напряжения. На вертикальной оси координат представлена единица измерения частоты - Герц, а горизонтальная ось координат - номера гармоник. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Рис. 12. График кратковременной дозы фликера

На рисунке 12 представлен график кратковременной дозы фликера. На вертикальной оси координат представлена единица измерения дозы фликера - отн. ед., а горизонтальная ось координат - ось времени. Для наглядности на графике визуально обозначены зоны нормально-допустимых и предельно-допустимых границ.

Предлагаемый способ отображения информации также имеет свои плюсы и минусы. Достоинства предлагаемого метода:

- графики наглядно представляют степень соответствия ПКЭ требованиям ГОСТа (благодаря обозначениям нормально и предельно допустимых границ в виде жирных линий);

- графики характеризуют ПКЭ на протяжении всего времени измерений;

Среди недостатков данного метода можно выделить:

- сложность анализа коэффициентов гармонических колебаний напряжения из-за большого количества данных (столбцов) на гистограмме;

- графики не позволяют анализировать несколько ПКЭ одновременно из-за различных единиц измерения ПКЭ;

- отсутствие возможности анализа коэффициентов гармонических колебаний на протяжении всего времени измерения (т.к. на гистограмме показаны максимальные значения).

2.2.2 Обзор анализаторов качества электрической энергии серии «Ресурс»

С учетом большого объема измерений и обработки приоритетными являются портативные микропроцессорные приборы для анализа качества электрической энергии, способные измерять характеристики в течении требуемого периода времени, вести учет активной, реактивной энергии и представлять результаты измерений в удобном для анализа виде. Такими устройствами являются анализаторы ПКЭ серии «Ресурс» (Рисунок 13).



Рис. 13. Анализаторы ПКЭ серии «Ресурс»

Функциональные возможности анализатор ПКЭ «Ресурс_UF2М» (Рисунок 5 - слева)[17]:

· Измерение ПКЭ по ГОСТ 30804.4.30-2013 (ГОСТ Р 51317.4.30-2008) (класс А), ГОСТ 32144-2013;

· Измерение параметров напряжения, силы тока, угла фазового сдвига, мощности и энергии;

· Регистратор результатов измерений;

· Регистратор аварийных событий;

· Определение выходной мощности измерительных трансформаторов напряжения;

· Определение погрешности счетчиков электрической энергии на месте эксплуатации;

· Сохранение результатов измерений на USB Flаsh-диске;

· Запись архивных данных на USB Flаsh-диск;

· Цифровой осциллограф.

Интерфейсы[17]:

· RS-232 (до 115200 бит/c);

· RS-485 (до 115200 бит/c);

· USB порт для накопителя Flаsh-диска.

Благодаря наличию токоизмерительных клещей способен измерять[9]:

1. Параметры мощности:

· Активная фазная и трехфазная мощность;

· Реактивная фазная и трехфазная мощность;

· Полная фазная и трехфазная мощность.

2. Параметры электрической энергии:

· Активная прямого и обратного направления;

· Реактивная прямого и обратного направления.

Функциональные возможности «Ресурс_ПКЭ_1.7» (Рисунок 13 - справа)[18]:

· Измерение ПКЭ по ГОСТ 30804.4.30-2013 (ГОСТ Р 51317.4.30-2008) (классА, S), ГОСТ 32144-2013;

· Измерение параметров напряжения;

· Измерение дозы фликера по ГОСТ Р 51317.4.15-99;

· Регистратор результатов измерений.

Интерфейсы[18]:

· RS-485 (до 115200 бит/c);

· RS-232/RS-485 (до 115200 бит/c).

В заключение главы 2 можно сделать вывод, что в системе электроснабжения городов-миллионников присутствуют потребители электроэнергии различных категорий: промышленные и приравненные к ним, производственные сельскохозяйственные, бытовые, общественно-коммунальные. К тому же, каждая категория потребителей электрической энергии обладает своим «набором» электроприемников, обладающими характерными требования к качеству электрической энергии, и в тоже время, могут быть источниками электромагнитных помех, которые затем подаются во «внешнюю» сеть. Это вызывает сложности при проектировании и дальнейшей эксплуатации системы электроснабжения, как отдельных районов, так и отдельных потребителей электрической энергии, что говорит о необходимости контроля параметров качества электрической энергии.

Тем не менее, в настоящее время есть множество микропроцессорных устройств для мониторинга показателей качества электрической энергии (см. рисунок 13), что дает возможность избежать пагубных воздействий от несоответствия определенных показателей качества ГОСТу. Использование такого оборудование специально обученным персоналом на предприятии (в электросетевых, промышленных организациях, или же сторонних - энергоаудиторских или энергосервисных) позволяет повысить энергоэффективность и оптимизировать потребление электрической энергии и снизить издержки при эксплуатации энергетического оборудования.

ГЛАВА 3. Разработка мероприятий по повышению качества электроэнергии систем электроснабжения городов-миллионников

Основной целью разработки и реализации мероприятий по повышению качества электрической энергии является снижение издержек при эксплуатации различных элементов системы электроснабжения - электроприемники и распределительное оборудование [19].

Качество электроснабжения и способ использования энергии способны повлиять на уровень энергоэффективности. Механизмы этого влияния не всегда осознаются; часто им не уделяется должного внимания. Во многих случаях имеют место потери, связанные с передачей избыточной мощности по внешним распределительным сетям или в пределах установки. Потери энергии в распределительной системе предприятия могут приводить к перепадам напряжения, которые, в свою очередь, могут вызывать преждевременный выход из строя электродвигателей или другого оборудования. Кроме того, неоптимальное функционирование энергосистем предприятия способно привести к применению повышенных тарифов на электроэнергию.

Также, отклонние параметров качества электрчиеской энергии, от показателей, установленных [1], влияет не только на функционирование распределительной системы, но и на работу самих электроприеников - снижает срок службы электордвигателей осветительных приборов и других электроприемников.

Формирование основных направлений энергосбережения определяется рядом обстоятельств:

- наличием перспективы реструктуризации обследуемого объекта;

- особенностью режима его работы - ведением технологического процесса;

- величиной ожидаемого потенциала энергосбережения (в энергетических показателях, например, т у.т., кВт_*ч, м³ и т.п.);

- экономическим потенциалом энергосберегающей политики (снижения энергетических затрат в денежном исчислении);

- приоритетами инновационной деятельности;

- инвестиционными возможностями.

По объему затрат все традиционные мероприятия программы энергосбережения классифицируются по трем критериям (Рисунок 14):

- беззатратные и низкозатратные - осуществляемые в порядке текущей деятельности предприятия;

- среднезатратные - осуществляемые, как правило, за счет собственных средств предприятия;

- высокозатратные - требующие дополнительных инвестиций, осуществляемые, как правило, с привлечением заемных средств.

Рис. 14. Классификация энергосберегающих мероприятий

В свою очередь все затратные мероприятия можно разделить на организационные и технические. Независимо от состава и характера возможных энергосберегающих мероприятий (например, по величине затрат, сроку окупаемости, величине достигаемого эффекта, социальной значимости, экологическому характеру и т.п.), выбор приоритетности их внедрения связан с решением противоречивых задач. В частности, возможны случаи, когда малозатратные мероприятия имеют значительный срок окупаемости, и, наоборот, многозатратные мероприятия окупаются достаточно быстро.

Оптимального решения при выборе приоритетности внедрения можно достигнуть путем сопоставления роли (доли) конкретного мероприятия как в общем значении экономического потенциала энергосбережения, так и в суммарных затратах на все энергосберегающие мероприятия. Чем выше это соотношение, тем предпочтительнее данное мероприятие. Зная свои инвестиционные возможности, предприятие может из ранжированного таким образом перечня выбирать наиболее приоритетные для него технические мероприятия или организационные решения.

Для анализа были выбраны точки измерений в системе электроснабжения на ПС-110/10 кВ и ТП-10/0,4 кВ. Схемы системы электроснабжения и результаты измерений приведены в приложениях (Приложения 1 и 2), а также применен метод составления компонентного портрета качества электрической энергии (Приложение 3) [21-24].

На основе анализа результатов проведенных измерений далее предлагаются рекомендации по улучшению показателей качества электрической энергии.

3.1 Технико-экономическое обоснование применения организационных мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников

3.1.1 Поддержание уровня квалификации персонала

Наличие квалифицированных кадровых ресурсов является необходимым условием внедрения и осуществления менеджмента энергоэффективности. Сотрудники, деятельность которых может повлиять на уровень энергопотребления и качество электрической энергии, должны проходить соответствующее обучение [20].

Суть рекомендованного мероприятия заключается в поддержании на определенном уровне квалификации сотрудником предприятия в сферах энергопотребляющих систем и энергоэффективности. Эта цель достигается при помощи следующих методов:

- обучение персонала предприятия (по специальности «контроль качества электрической энергии» или аналогичной) и/или привлечение обученного персонала сторонней организации. Предпочтительно проводить обучение в специализированных аккредитованных организациях, выдающих соответствующие документы (о повышении квалификации) по окончанию обучения. При необходимости, обучение можно провести силами собственных специалистов предприятия, имеющих соответствующие навыки;

- привлечение персонала предприятия для решения нестандартных задач (обследований, расследований по конкретным вопросам);

- обмен квалифицированными специалистами между технологическими установками (комплексами);

- привлечение квалифицированных консультантов в сторонних специализированных организациях для проведения обследований.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

3.1.2 Эффективный контроль технологических процессов

Целью данного мероприятия является обеспечение эффективного контроля за состоянием технологического процесса при помощи таких методов, как:

· поддержание систем, обеспечивающих знание, понимание и выполнение персоналом установленных процедур;

· обеспечение выявления ключевых параметров технологического процесса, влияющих на энергопотребление, их оптимизации с точки зрения энергоэффективности, а также их мониторинга;

· документирование этих параметров или ведение соответствующих записей.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

3.1.3 Техническое обслуживание

Организованное техническое обслуживание оборудования, потребляющего энергию и/или управляющего ее потреблением, а также наличие процедур, обеспечивающих ремонт указанного оборудования при первой возможности, являются важными факторами достижения и поддержания высокого уровня энергоэффективности.

Организованное техническое обслуживание оборудования состоит в организации технического обслуживания в пределах установки с целью оптимизации энергоэффективности при помощи всех перечисленных ниже методов:

· четкое распределение ответственности за планирование и осуществление технического обслуживания;

· формирование структурированной программы технического обслуживания, основанной на технической документации оборудования, нормативах и т.д., а также данных о любых отказах оборудования и их последствиях. Некоторые виды технического обслуживания целесообразно осуществлять во время плановых остановов оборудования;

· поддержка программы технического обслуживания посредством надлежащей системы ведения записей и диагностических проверок;

· выявление на основе результатов планового технического обслуживания, а также отказов и случаев нештатного функционирования оборудования возможных причин снижения энергоэффективности, а также возможностей для ее повышения;

· выявление утечек, неисправного оборудования, изношенных подшипников и других факторов, которые могут повлиять на энергопотребление, и исправление их при первой же возможности.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данных методов зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем. Там, где это применимо, должен быть обеспечен баланс между оперативным устранением неисправностей и необходимостью обеспечения качества продукции, стабильности производственного процесса, а также здоровья и безопасности персонала при выполнении ремонтных работ на действующем предприятии (где может находиться оборудование с движущимися частями, имеющее высокую температуру и т.п.).

3.1.4 Мониторинг и измерения

Мониторинг и измерения показателей качества электрической энергии представляют собой важную часть этапа «проверки» в цикле «планирование-осуществление-проверка-корректировка», на котором основан, в частности, менеджмент энергоэффективности. Кроме того, они являются важной составляющей эффективного контроля технологических процессов.

Без применения систем мониторинга невозможно оценить текущее состояние показателей качества электрической энергии в системе электроснабжения, что делает задачу улучшения показателей качества электрической энергии невыполнимой.

Цель предложенного мероприятия состоит в определении и соблюдении документированных процедур регулярного мониторинга и измерения ключевых характеристик производственного процесса и видов деятельности, которые могут оказывать значительное влияние на энергоэффективность.

Применимость: Все установки. Масштаб и особенности (например, степень детальности) применения данного метода зависят от характера, масштаба и сложности установки, а также энергопотребления составляющих ее технологических процессов и систем.

3.2 Технико-экономическое обоснование применения технических мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников

3.2.1 Компенсация реактивной мощности

Анализ результатов измерений показателей качества электрической энергии показывает, что значение коэффициента реактивной мощности на ТП 10/0,4 кВ ниже оптимального (Таблица 10). Хотя данный показатель электрической энергии не регламентируется [1], его значение имеет весьма большое значение

На основании [30] могут быть введены экономические требования к режиму потребления реактивной мощности.

Согласно данному приказу, значения соотношения потребления активной и реактивной мощностей (tgц) определяются в виде предельных значений коэффициента реактивной мощности (Таблица 10), потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, соблюдение которых обеспечивается покупателями электрической энергии (мощности) - потребителями услуг по передаче электрической энергии посредством соблюдения режимов потребления электрической энергии (мощности) либо использования устройств компенсации реактивной мощности.

Таблица 10

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети	tg(ц)	cos(ц)
напряжением 6 - 20 кВ	0,4	0,928
напряжением 0,4 кВ	0,35	0,944

Как видно в Приложении 3, значение этого показателя на момент измерения на ТП 10/0,4 кВ не достигал оптимальных значений, что говорит о неэффективной эксплуатации системы электронсабжения.

Многие широко распространенные виды электрического оборудования обладают не только активным, но и индуктивным сопротивлением. В качестве примеров можно назвать, в частности:

· однофазные и трехфазные электродвигатели переменного тока;

· приводы с переменной скоростью;

· трансформаторы;

· разрядные лампы высокой интенсивности.

При работе всех этих устройств потребляется как активная, так и реактивная электрическая мощность. Активная мощность преобразуется в полезную работу, в то время как реактивная мощность расходуется на создание электромагнитных полей. Реактивная мощность совершает периодические колебания между генератором и нагрузкой (с частотой источника). Конденсаторные батареи и подземные кабели также вносят вклад в формирование реактивной мощности.

Полная мощность рассчитывается как геометрическая сумма активной и реактивной мощности, представленных взаимно перпендикулярными векторами. Именно полная мощность определяет требования к генерирующим, сетевым и распределительным мощностям. Это означает, что генераторы, трансформаторы, линии электропередач, распределительное оборудование и т.д. должны быть рассчитаны на более высокую номинальную мощность, чем в том случае, если бы нагрузка потребляла только активную мощность.

Вследствие этого компании, эксплуатирующие генерирующие и передающие мощности (это может быть как внешний поставщик, так и предприятие, производящее электроэнергию для собственных нужд) сталкиваются с необходимостью дополнительных затрат на оборудование и дополнительными потерями энергии. Поэтому внешние поставщики взимают с потребителей дополнительную плату в том случае, если доля реактивной мощности превышает определенное пороговое значение. Как правило, в качестве порогового уровня выбирается величина cos ц (запаздывания тока по фазе относительно напряжения) в диапазоне между 1,0 и 0,9, при которой негативные эффекты, связанные с реактивной мощностью, могут считаться несущественными.

Рис. 15 - Активная, реактивная и полная мощность (среднее значение)

Так, в результате испытаний электрической энергии на ТП 10/0,4 кВ (Приложение 3) было установлено, что (Рисунок 15):

· средняя активная мощность равна 12,839 кВт, средняя полная мощность равна 17,843 кВА, и, следовательно:

· коэффициент мощности равен 12,839/17,843 = 0,72.

Это означает, что только 72% тока, поставляемого энергетической компанией, используется для совершения полезной работы.

Корректировка коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности), например, посредством подключения конденсаторов параллельно нагрузке, позволяет устранить или снизить потребность в производстве и передаче реактивной мощности. Средства корректировки коэффициента мощности оказываются наиболее эффективными в том случае, если они применяются в непосредственной близости от нагрузки и основаны на современных технологиях.

Поскольку коэффициент мощности может изменяться со временем вследствие изменения характеристик и состава оборудования, представляющего собой индуктивную нагрузку, его измерение должно производиться с определенной периодичностью. Период между измерениями зависит от характера предприятия и использования оборудования и, как правило, находится в диапазоне от 3 до 10 лет. Кроме того, конденсаторы, используемые для компенсации реактивной мощности, со временем изнашиваются и, как следствие, также нуждаются в периодических проверках (легко наблюдаемым признаком износа является нагрев конденсатора при работе).

В качестве прочих мер, направленных на повышение коэффициента мощности, можно, в частности:

· свести к минимуму работу двигателей на холостом ходу или со значительной недогрузкой;

· избегать эксплуатации оборудования при напряжении, превышающем номинальное;

· по мере исчерпания ресурса или выхода из строя традиционных электродвигателей заменять их энергоэффективными;

· даже в случае энергоэффективных двигателей коэффициент мощности существенно зависит от вариаций нагрузки. Двигатель, спроектированный для работы с высоким

· коэффициентом мощности, должен работать при мощности, близкой к номинальной, для реализации этого потенциала.

В таблице 11 [31] представлен потенциальный эффект доведения среднего коэффициента мощности в промышленном секторе ЕС до 0,95.

Таблица 11

Коэффициент мощности в промышленности EU-25	Потребление активной мощности, ТВт·ч	Cos ц	Пр-во реактивной мощности ТВАр·ч	Пр-во полной мощности ТВА·ч
Фактический (согласно оценкам)	1168	0,70	1192	1669
Целевой	1168	0,95	384	1229

31 ТВт·ч соответствует энергопотреблению более 8 млн. домохозяйств или мощности примерно 2600 ветрогенераторов, около 10 ТЭС на природном газе и 2-3 АЭС. Эта величина соответствует также выбросам более 12 Мт CO2.

Согласно оценкам, улучшение среднего коэффициента мощности во всех государствах - членах ЕС привело бы к сбережению 31 ТВт·ч электроэнергии, хотя часть этого потенциала уже используется. Расчеты были выполнены исходя из общей величины потребления электроэнергии в промышленности и секторе услуг ЕС-25 в 2002 г. 1788 ТВт·ч, причем из этой величины на промышленность пришлось 65 % [31, 32].

Ключевые факторы рекомендованного мероприятия представлены на рисунке 16.

Рис. 16. Компенсация реактивной мощности

3.2.2 Гармоники

Анализ результатов измерений показателей качества электрической энергии (Приложение 2) позволяет сделать вывод об отклонении коэффициентов гармонических колебаний напряжения от установленных норм [1]. Особенно это хорошо видно на компонентном портрете качества электрической энергии (КПКЭ) [21-29] в Приложении 4.

Компонентный портрет качества электроэнергии описывающий коэффициенты гармонических колебаний напряжения в Приложении 4 представлен в пространстве 39-ти координатных осей в соответствии количеством гармонических составляющих, подвергающихся анализу при мониторинге показателей качества электрической энергии.

Внешний контур КПКЭ определяется номинальными значениями показателей и соответствует уровню индикатора качества электрической энергии, равному единице. По внешнему контуру КПКЭ обозначены идентификаторы ПКЭ. Предельно-допустимые отклонения ПКЭ определяются нулевыми значениями индикатора качества электрической энергии. На КПКЭ они отображены линией нулевого уровня (внутренний контур КПКЭ).

Годограф ИКЭ представляет собой линию, проходящую через точки компонентных осей текущих значений ИКЭ. Показатели, выходящие за линию нормально-допустимых границ, обозначены желтыми маркерами. Показатели, выходящие за границы предельно-допустимых значений, обозначены красными маркерами, а также, их наименования дополнены восклицательными знаками (Наименование_!!!). Наиболее критичные значения имеют гармоники: фазное А - 9, 15, 21; фазное В - 9, 15, 21; фазное С - 9.

Таким образом, как показывают проведенные исследования, разработанные метод, алгоритм, методика и математические модели обеспечивают трансформацию информации о ПКЭ, задаваемых интервальными, верхними и нижними предельно-допустимыми значениями, в единую область пространства. Введённый компонентный портрет качества электроэнергии и методика его построения позволяют провести комплексирование информации о ПКЭ в единой области ИКЭ и дать сравнительную оценку разнородных показателей, снижают риски и повышают оперативность управления ЭЭС.

Некоторые виды электротехнического оборудования, представляющего собой нелинейную нагрузку, могут приводить к возникновению гармоник (искажений синусоидальной формы волн напряжения или тока) в электрических сетях. К нелинейной нагрузке относятся, в частности, выпрямители, некоторые системы электрического освещения, электродуговые печи, импульсные источники питания, компьютеры и т.д [29, 30].

Для подавления (устранения или снижения) гармоник могут использоваться фильтры. Такие стандарты, как [31] и [32] требуют оборудования импульсных источников питания фильтрами гармоник.

Гармоники не могут быть обнаружены при помощи обычного амперметра; для этого необходимо оборудование, позволяющее измерять истинные среднеквадратичные значения (см. Главу 2).

Ключевые факторы рекомендованного мероприятия представлены на рисунке 17.

Рис. 17. Фильтры гармонических колебаний

3.2.3 Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов

Еще одним немаловажным показателем эффективного функционирования системы электроснабжения является загрузка силовых трансформаторов.

Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Широкое распространение трансформаторов обусловлено, в частности, тем, что электроэнергия передается и распределяется при более высоком уровне напряжения, чем уровень, необходимый для питания промышленного оборудования, что позволяет снизить потери при передаче.

Как правило, трансформатор является статическим устройством, состоящим из сердечника, набранного из ферромагнитных пластин, а также первичной и вторичной обмоток, расположенных с противоположных сторон сердечника. Важнейшей характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который определяется как отношение выходного напряжения к входному - V2/V1 [37].

В результате испытаний качества электрической энергии (Приложение 3) было установлено, что значение установившегося отклонения напряжения превышает нормы, установленные [1]. Причиной этого скорее всего является то, что на ТП-12 10/0,4 кВ один из силовых трансформаторов - ТМ-250-10/0,4 кВ (Рисунок 18) работает не в оптимальном режиме - уровень его загруженности имеет максимальное значение 32%, в то время как, большую часть времени этот показатель еще ниже, что говорит о неэффективном использовании оборудования. Потери в трансформаторах подразделяются на два основных типа - «потери в стали» (т.е. в сердечнике) и «потери в меди» (т.е. в обмотках). Потери в стали вызываются гистерезисом и вихревыми токами в ферромагнитных пластинах сердечника; их величина пропорциональна V2 и составляет примерно 0,2-0,5 % номинальной мощности трансформатора Pn (P2). Потери в меди связаны с сопротивлением медных обмоток и выделением джоулева тепла в них; величина этих потерь пропорциональна I2, и составляет примерно 1-3% номинальной мощности Pn (при стопроцентной загрузке трансформатора).

Рис. 18. Схема трансформатора

При эксплуатации трансформатора в реальных условиях средний коэффициент загрузки х всегда меньше 100 % (Pэфф. = xPn). Можно показать, что зависимость между КПД трансформатора и коэффициентом загрузки имеет вид, показанный на рис. 19 (для ТМ-250-10/0,4 кВ). В данном случае КПД достигает максимума при величине коэффициента загрузки около 40% [38].

Рис. 19. Уровень потерь и КПД трансформатора в зависимости от коэффициента загрузки

Независимо от мощности конкретного трансформатора, зависимость КПД от коэффициента загрузки имеет максимум, находящийся в среднем на уровне 45% от номинальной загрузки.

Эта особенность позволяет рассмотреть следующие варианты повышения эффективности для трансформаторной подстанции [39]:

· если общая мощность, потребляемая нагрузкой, ниже уровня 40-50% Pn, в качестве меры энергосбережения целесообразно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы довести загрузку остальных до оптимальной величины;

· в противоположной ситуации (общая мощность, потребляемая нагрузкой, превышает 75% Pn), достичь оптимального КПД трансформаторов можно лишь посредством установки дополнительных мощностей;

· при замене трансформаторов, исчерпавших ресурс, или модернизации трансформаторных подстанций предпочтительной является установка трансформаторов с пониженным уровнем потерь, что позволяет снизить потери на 20-60%.

Как правило, на трансформаторных подстанциях имеется избыток установленных мощностей, вследствие чего средний фактор загрузки относительно низок. Этот избыток мощностей традиционно поддерживается для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу в случае выхода из строя одного или нескольких трансформаторов.

Применимость

Критерии оптимизации применимы ко всем трансформаторным подстанциям. Согласно оценкам, оптимизация загрузки возможна в 25% случаев.

Величина трансформаторных мощностей, заново устанавливаемых или обновляемых в промышленности ежегодно, оценивается в 5% общей установленной мощности. В этих случаях может рассматриваться возможность установки трансформаторов с пониженным уровнем потерь [40, 41].

Рис. 20. Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов

Главная задача при написании последней главы работы заключается в разработке рекомендаций по повышению качества электрической энергии в исследуемой системе электроснабжения.

Для решения поставленной задачи были проведены испытания электрической энергии по показателям, установленным [1] (Приложения 1 и 2) в указанных точках системы электроснабжения (Приложение 1), а также, был использован метод анализа качества электрической энергии при помощи компонентного портрета качества электрической энергии (Приложение 4). Эти мероприятия позволили выявить показатели качества электрической энергии, численные значения которых выходили за пределы установленных норм, что говорит об их несоответствии нормам.

На основании анализа проведенных измерений были разработаны организационные и технические рекомендации, позволяющие стабилизировать несоответствующие показатели качества электрической энергии. Как показывают исследования, реализация этих мероприятий носит энергосберегающий характер, так как, позволить существенно снизить затраты на ремонт и обслуживание системы электроснабжения в целом путем снижения нерациональных потерь при передаче электрической энергии и сокращение потребления электроприемниками непосредственно, что делает тему исследований весьма актуальной. К тому же, снижение потерь и потребления электрической энергии позволит повысить надежность системы электроснабжения, снизив риск преждевременного старения и выхода из строя элементов системы электроснабжения (линий электропередач, силовых трансформаторов, электроприемников).

Схематично рекомендации по повышению показателей электрической энергии представлены на рисунке 21.

Рис. 21. Рекомендованные мероприятия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате дипломной работы предложено решение поставленной цели - проведен анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения, выявлены показатели, выходящие за пределы, установленные [1], в результате чего, предложены рекомендации по повышению показателей качества электрической энергии.

Как было установлено в главе 1, качество электрической энергии: Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества электрической энергии [1].

Под показателями качества понимается ряд параметров (рисунок 1):

- отклонение частоты;

- отрицательное отклонение напряжения;

- положительное отклонение напряжения;

- коэффициент гармонической составляющей напряжения;

- суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения;

-коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности;

- коэффициент несимметрии по обратной последовательности;

- кратковременная доза фликера;

- длительная доза фликера.

Отклонение каждого из этих параметров может нанести ущерб потребителю электрической энергии, так как такие явление пагубно сказываются на функционировании системы электроснабжения (работе линий электопередач, силовых трансформаторов, электродвигателей и т.д.).

При этом, в системе электроснабжения города-миллионника присутствуют потребители все категорий надежности и всех уровней напряжения, то есть проблема анализа качества электрической энергии актуальна для всех электроустановок - ЦП 330-110/35/10 кВ, РП, СП, ТП 10/0,4 кВ (Рисунок 2).

Благодаря разнообразию микропроцессорных приборов для анализа качества электрической энергии, мониторинг показателей качества электрической энергии в настоящее время на составляет большого труда. Каждый из таких приборов наделен своим своим набором характеристик, преимуществ и недостатков.

В качестве объекта испытаний качества электрической энергии, была выбрана система электроснабжения (Приложение 1). Благодаря установке двух анализаторов качества электрической энергии серии «Ресурс», было установлено, что некоторые параметры качества электрической энергии выходят за границы, установленные [1]. Анализ измерений производился на основании [42] (Приложения 2 и 3), а также, разработанного метода построения компонентного портрета качества электрической энергии [21-29] (Приложение 4), позволяющий более наглядно представить результаты анализа качества электрической энергии и оценить состояние системы электроснабжения.

Из показателей качества электрической энергии, границы которых установлены [1], несоответствовали:

- положительное отклонение напряжения;

- коэффициент гармонической составляющей напряжения;

- суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения.

Кроме того, выделен еще один показатель, характеризующий энергетическую эффективность системы электроснабжения - коэффициент мощности, который также подвергался измерению, наряду с остальными показателями качетсва электрической энергии.

Для решения этой проблемы рекомендованы корректирующие мероприятия, позволяющие не только повысить качество электрической энергии, но и повысить энергетическую эффективность в целом, путём снижения потерь электрической энергии при ее передаче и снижения потребления электрической энергии электроприемниками:

1) Организационные мероприятия по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников:

· поддержание уровня квалификации персонала;

· эффективный контроль технологических процессов;

· техническое обслуживание;

· мониторинг и измерения.

2) технических мероприятий по повышению качества электрической энергии электроснабжения городов-миллионников:

· компенсация реактивной мощности;

· применение фильтров гармонических колебаний;

· энергоэффективная эксплуатация трансформаторов.

Список ИСПОЛЬЗОВАННОЙ литературы

1 ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Москва: Стандартинформ. - 2014

2 Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 207 с.

3 ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. - Москва: Стандартинформ. - 1997

4 Ананичева С.С. Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах: учебное пособие / С. С. Ананичева, А. А. Алекссев, А. Л. Мызин.; 3-е изд., испр. Екатеринбург: УрФУ. 2012. 93 с.

5 ГОСТ 30804.4.30 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. - Москва: Стандартинформ. - 2014

6 ГОСТ 30804.4.7 Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. - Москва: Стандартинформ. - 2013

7 Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев [и др.]. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.

8 Шидловский А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов - Киев: Наук.думка, 1985. - 268 с.

9 Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях/ И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

10 Церазов Л.А. Исследование влияния несимметрии и несинусоидальности напряжения на работу асинхронных двигателей /Л.А. Церазов, Н.И. Якименко // Информационные материалы №70. - М.: Госэнергоиздат, 1963.

11 Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.

12 «ГОСТ 33073-2014 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (введен в действие Приказом Росстандарта от 08.12.2014 N 1948-ст).

13 «Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) предприятий и организаций угольной отрасли» (Одобрена на заседании координационного совета Минэнерго России по энергосбережению и повышению энергоэффективности в угольной промышленности (протокол от 29.05.2012 N 6)

14 «Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) бюджетных организаций» (Утверждено Приказом министра энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Свердловской области От «13» сентября 2010 г. № 85).

15 Александров, Д. С. Надёжность и качество электроснабжения предприятий: учебное А 46 пособие / Д. С. Александров, Е. Ф. Щербаков.- Ульяновск : УлГТУ, 2010. - 155 с.

16 Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм информации в оценке качества электрической энергии // Сборник статей по материалам XIV международной научно-практической конференции «Наука вчера, сегодня, завтра». - Новосибирск: Изд-во «СибАК». - 2014. - №7 (14). - С 25 - 30.

17 Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм комплексной оценки качества электрической энергии // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной науки». - Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2014. - С 40 - 45.

18 Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм комплексной оценки гармонических составляющих напряжения // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Эволюция научной мысли». - Уфа: «Аэтерна». - 2014. - С 19 - 24.

19 Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. АВТОМАТИЗАЦИЯ УЧЁТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ// Сборник статей по материалам XXXIII Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике». Новосибирск: Изд-во «СибАК». -- 2014. -- № 4 (29). -- С. 109--117.

20 Прошин И.А., Шепелев М.В., Егоров С.В. Метод и алгоритм информации в оценке качества электрической энергии // Сборник статей по материалам V международной научно-практической конференции «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы». Ставрополь: Центр научного знания «Логос».- 2014. - С. 69.

21 Прошин И.А., Сюлин П.В. Компонентный портрет экологической безопасности // Проблемы региональной экологии. - 2013. - № 6. - С. 151-154.

22 Прошин И.А., Сюлин П.В. Методика научных исследований экосистем // Экологические системы и приборы. - 2013. - № 12. - С. 26-32.

23 Прошин И.А., Сюлин П.В. Оценка экологической безопасности многокомпонентных систем // «ХХI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс»: Научно-методический журнал. - 2013. - № 09(13). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2013. - С. 144- 156.

24 Приказ Минэнерго России от 23.06.2015 N 380 "О Порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии" (Зарегистрировано в Минюсте России 22.07.2015 N 38151).

25 Я.М. Щелоков. Энергетическое обследование: справочное издание: В 2-х томах. Том 2. Электротехника. Екатеринбург: , 2011. 150 с.

26 Справочник ЕС по наилучшим доступным технологиям "Европейская комиссия. Комплексное предупреждение и контроль загрязнений. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. 2009 г." ("European Commission. Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency. 2009")

27 ZVEI "Position Paper on the Green Paper on Energy Efficiency: Improving Energy Efficiency by Power Factor Correction".

28 US_DOE_PowerFactor "Motor Challenge Fact sheet, Reducing Power Factor Cost".

29 IEC 61000-3-2 "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current ? 16 A per phase)"

30 BS EN 61000-3-12:2005 «Electromagnetic compatibility (EMC). Limits. Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16A and 75A per phase»

31 Di Franco, N. (2008). "Energy efficient management of transformers".

32 Petrecca, G. (1992). "Industrial Energy Management".

33 Di Franco, N. “ Energy diagnose in semi-conductors mill".

34 ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.

Размещено на Allbest.ru