16 УДК 621.314.222.8 ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ВЫШЕ 1 кВ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ Канд. техн. наук, доц. ШИРОКОВ О. Г., инж. ЛЫМАРЬ О. В. Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого, филиал «Энергонадзор» РУП «Гомельэнерго» Экономические характеристики работы электрооборудования и в ряде случаев количество и качество выпускаемой продукции существенно зави- сят от качества электроэнергии (КЭ), требования к которому – неотъемле- мая часть условий договора на снабжение электроэнергией [1]. Важнейшей задачей, без решения которой нельзя обеспечить поддержание КЭ в рамках договорных условий, является его контроль и анализ. Нормы на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и требования к средствам их измерений устанавливает ГОСТ 13109–97 [2]. Ныне суще- ствует большое количество как специализированных приборов контроля ПКЭ (УК1, ППКЭ-1-50, РЕСУРС-UF2M, ПАРМА РК.3.01 и др.), так и мно- гофункциональных устройств с возможностью контроля или измерения отдельных ПКЭ (энергомонитор 3.3, ПКК-57). Все они проходят периоди- ческую поверку (межповерочный интервал 12 месяцев [3]) и могут непо- средственно применяться в электрических сетях до 1 кВ. При напряжениях выше 1 кВ вместе со средствами измерений ПКЭ необходимо использовать первичные масштабные измерительные преобразователи напряжения. Как правило, это находящиеся длительное время в эксплуатации трансформа- торы напряжения (ТН), предназначенные для подключения средств учета электроэнергии и устройств релейной защиты и автоматики. По ГОСТ 13109–97 [2] «до оснащения электрических сетей трансформаторами и де- лителями напряжения, входящими в состав оборудования электрических сетей, обеспечивающими совместно со средствами измерений показателей КЭ установленную в п. 7.1 погрешность измерений, допускается проводить измерение показателей КЭ (за исключением показателя Δf) с погрешно- стью, превышающей установленную не более чем в 1,5 раза». Однако на практике нельзя гарантировать выполнение этого требования потому, что в условиях эксплуатации большинство указанных ТН не подвергались пе- риодической поверке и их реальные погрешности могут быть сколько угодно далеки от установленных значений [4]. Кроме того, не нормируют- ся и мало исследованы частотные характеристики ТН, влияющие на ре- зультаты измерений амплитуд и фаз гармонических составляющих напря- жения [5]. Помимо технических, такая неопределенность создает и чисто формальные проблемы, поскольку в областях, подлежащих обязательному государственному контролю и надзору, применение непроверенных средств измерений, типы которых не утверждены, недопустимо. Целесообразность периодических поверок ТН становится совершенно очевидной, если принять во внимание результаты анализа зарубежного 17 опыта [4]. Он показал, что в среднем 30 % находящихся в эксплуатации ТН не соответствуют установленному классу точности, причем у значительной доли трансформаторов напряжения фактическая амплитудная погрешность превышала предел допустимой в несколько раз. Аналогичная ситуация складывается и с частотными характеристиками ТН. Например, угловые погрешности индуктивных ТН типа НОМ-10 на частоте 2000 Гц могут превышать 10 эл. град., а емкостные ТН, применяемые в электрических сетях 110 кВ и выше, обладают узкой полосой пропускания в диапазоне 50 Гц [5]. Такие значительные погрешности измерительных ТН могут привести к наложению штрафных санкций на невиновного потребителя, или же эти санкции не будут соответствовать действительному вкладу данного потре- бителя в ухудшение КЭ. В любом случае при отсутствии достоверных ре- зультатов измерений ПКЭ теряют всякий смысл попытки управления каче- ством электроэнергии в электрических сетях выше 1 кВ. Единственным верным путем решения указанной выше проблемы явля- ется организация периодических поверок и диагностирования частотных характеристик, находящихся в эксплуатации ТН. Для трансформаторов тока и напряжения, используемых в области осуществления торговли и расчетов между покупателем и продавцом, установлен межповерочный интервал в 48 месяцев [3]. Как показывает опыт развитых зарубежных стран, из-за отсутствия резервного парка, больших габаритов и массы измерительных ТН их доставка в стационар- ные поверочные лаборатории проблематична, а для классов напряжения 110 кВ и выше – практически нереализуема [4]. При этом метрологические харак- теристики ТН имеют ярко выраженную зависимость от параметров нагруз- ки, что обусловливает необходимость их поверки на месте эксплуатации при реальной нагрузке. Одним из путей решения данной проблемы являет- ся использование передвижной поверочной лаборатории (ППЛ) [4]. В настоящее время в филиале «Энергосбыт» РУП «Гомельэнерго» эксплуа- тируется одна ППЛ, позволяющая производить поверку ТН номинальным напряжением до 110 кВ. Таким образом, для решения проблемы периодических поверок ТН су- ществуют необходимые методы и средства, а также соответствующая ре- гламентирующая нормативная база. Это вселяет надежду на то, что со вре- менем проблема использования при контроле и анализе КЭ неповеренных ТН окончательно решится (по крайней мере, для электрических сетей до 110 кВ). Сложнее обстоит дело с диагностированием частотных характери- стик ТН, где остаются вопросы как нормативного, так и технического ха- рактера. К сожалению, в разработанных УП «НИИСА» технических кодексах практики (ТКП) по контролю и анализу КЭ не нашли отражения требо- вания к частотным характеристикам используемых ТН. В то же время в российских РД 153-34.0-15.501–00 [6], послуживших основой для бело- русских ТКП, указывается, что неравномерность амплитудно-частотной характеристики ТН в полосе частот до 2 кГц не должна превышать 2 %, а коэффициенты n-х гармонических составляющих напряжения до 40-й 18 включительно на выходе ТН при подаче на его вход синусоидального напряжения частотой 50 Гц должны быть не более 0,02 %. Нормы на фазо- частотные характеристики ТН, необходимые при анализе КЭ в соответ- ствии РД 153-34.0-15.502–2002 [7], в данном документе отсутствуют. Ввиду наличия между Республикой Беларусь и Российской Федерацией общего нормативно-технического поля в области КЭ представляется целе- сообразным за основу норм частотных характеристик ТН взять требования РД 153-34.0-15.501–00 [6]. Одновременно с ними необходимо установить норму и на погрешности измерений фаз n-х гармонических составляющих напряжения, которая, учитывая критичность ситуации при принятии реше- ний о направлении потоков мощности искажений [5] и опираясь на требо- вания [7] к погрешности измерений, ориентировочно должна составлять несколько электрических градусов. На практике соблюдение указанных норм может оказаться не всегда технически реализуемым и экономически оправданным. В этом случае полноценной заменой их соблюдения являет- ся учет реальных частотных характеристик, присущих отдельным типам или даже конкретным экземплярам ТН, путем введения соответствующих поправок в результаты измерений показателей несинусоидальности напря- жения и фаз n-х гармонических составляющих напряжения при контроле и анализе КЭ. Так же такой подход позволяет в целом повысить точность измерений и сэкономить значительные средства на замене уже установ- ленных ТН. Из-за влияния нагрузки ТН на его частотные характеристики [5, 8] и возможного их изменения в течение срока эксплуатации могут потребо- ваться периодические измерения частотных характеристик ТН на месте его установки при реальной нагрузке. Разработанные в Российской Федерации [5, 9] и Польше [10] методы диагностирования частотных характеристик ТН имеют ряд недостатков. Например, методы [9] и [10] не позволяют определять гармонические искажения, возникающие на выходе ТН из-за нелинейной кривой намагничивания магнитопровода, а в испытательном напряжении рассмотренного в [5] метода измерений частотных свойств ТН возможно присутствие дополнительных гармоник, поступающих из сети. Но главный недостаток существующих методов диагностирования частот- ных характеристик ТН – отсутствие автоматизации процесса измерений. Как следствие увеличиваются длительность отключенного состояния ТН и количество установок, необходимых для обследования всего парка трансформаторов напряжения. Для периодического диагностирования частотных характеристик ТН на месте их эксплуатации может быть использован автоматизированный ме- тод [11], который состоит в сличении частотных характеристик испытуе- мого ТН с частотными характеристиками эталонного делителя напряжения и подразумевает автономную генерацию моно- или полигармонического испытательного напряжения с различным содержанием гармоник заданных амплитуд и фаз. Функциональная схема информационно-измерительной системы (ИИС), реализующей предлагаемый метод, представлена на рис. 1. Блок управления (БУ) осуществляет управление процессом измерений в соответствии с заложенным алгоритмом работы ИИС. Сигнал испыта- тельного напряжения формируется цифроаналоговым преобразователем 19 (ЦАП). После фильтрации сглаживающим фильтром (СФ) он усиливается усилителем мощности (УМ) и поступает на первичную обмотку повыша- ющего трансформатора (ПТ). Значение испытательного напряжения регу- лируется БУ путем изменения уровня сигнала с ЦАП. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование в цифровой сигнал напряжений, поступающих с измерительных датчиков тока ДТ1 и ДТ2 (шунты), пропорциональных току на первичной и вторичной сторонах ТН, а также выходных напряжений с делителей напряжения ДН1 и ДН2. Если в процессе измерений ток в первичной обмотке ТН превысит допустимое значение, что указывает на неисправность последнего, то по команде БУ испытательное напряжение снижается до нуля и дальнейшие измерения прекращаются. Второй измерительный датчик тока ДТ2 предназначен для измерений реальной нагрузки ТН Zн. Результаты измерений хранятся в энергонезависимой памяти БУ и могут быть выведены на дисплей или другое периферийное устройство (например, принтер). СФ УМ ПТ ДН1 ТН ДН2 ZН ДТ1 аА Х х ДТ2 ЦАП БУ канал №4 канал №3 канал №2 канал №1 АЦП R1 R3 R2 R4 Рис. 1. Функциональная схема ИИС для диагностирования частотных характеристик ТН Устройство защищено патентом Республики Беларусь [12] и без изме- нений аппаратной части может быть использовано для поверки ТН [13]. Такое совмещение функций ППЛ и средства диагностирования частотных характеристик ТН дает возможность одновременно с периодической по- веркой ТН измерять его частотные характеристики. Апробация предлагаемого метода осуществлялась на прототипе ИИС, реализованном на основе персонального компьютера с интегрированными ЦАП и АЦП под управлением специализированной программы Harmoni- cas 3. Усиление сигнала испытательного напряжения производилось с по- мощью мостового УМ, а в качестве ПТ использовался ТН типа НОМ-10. В роли образцового ДН1 выступал делитель с сопротивлениями плеч R1 = = 8400 кОм и R2 = 300 Ом, соответствующие параметры ДН2: R3 = 28 кОм и R4 = 60 Ом. На последнем этапе создания ИИС методом поэлементного исследова- ния были определены ее метрологические характеристики: эксперимен- тальным путем – характеристики погрешности АЦП и расчетным мето- дом – делителей напряжения. А а Х х Zн 20 С помощью разработанного прототипа ИИС были исследованы частот- ные характеристики двух ТН типа НОМ-6 У4 (1976 и 1983 гг. выпуска) при следующих режимах: • на холостом ходу при испытательных напряжениях в 2,6 и 5,2 кВ; • при нагрузке 50 В⋅А с cos ϕ = 1 (номинальной для класса точности – 0,5) и испытательных напряжениях 2,4 и 4,8 кВ. Для каждого режима выполнено по 20 измерений при частоте дискрети- зации ЦАП и АЦП 96 кГц и разрядности 16 бит. Относительная амплитудная и абсолютная угловая погрешности ТН для n-й гармонической составляющей напряжения определялись при полигар- моническом испытательном напряжении с относительным содержанием одной дополнительной гармоники, равной 8 %, по формулам: ( )ДН2 ( )ДН1 ( )ДН1 100 %;U n U nUn U n K K K − δ = ⋅ (1) ( ) ( )ДН2 ( )ДН1,n n nϕ∆ = ϕ −ϕ (2) где ( )ДН1,U nK ( )ДН2U nK – коэффициенты n-й гармонической составляющей напряжения по измерительным каналам, подключенным к первому и вто- рому делителям напряжения; ( )ДН1,nϕ ( )ДН2nϕ – фазы n-й гармонической составляющей напряжения по измерительным каналам, подключенным к первому и второму делителям напряжения. Гармонические искажения, возникающие на выходе ТН при подаче на его вход синусоидального испытательного напряжения промышленной ча- стоты (50 Гц), определялись по формуле ( ) ( )ДН2 ( )ДН1.U n U n U nK K K∆ = − (3) Результаты измерений частотных характеристик ТН показали, что в ре- жиме номинальной нагрузки и холостого хода неравномерность амплитуд- но-частотной характеристики обоих ТН не превышает норму 2 %. Гармо- нические искажения, вносимые ТН в синусоидальное испытательное напряжение частотой 50 Гц, находились в пределах погрешности ИИС. Это подтверждает возможность использования исследованных ТН для кон- троля показателей несинусоидальности напряжения без введения каких- либо поправок в результаты измерений. Угловая погрешность ТН при номинальной нагрузке оказалась значи- тельной и для 40-й гармоники достигала 6,0–7,5 эл. град. На рис. 2 и 3 до- верительным интервалом с вероятностью 0,95 представлены результаты измерений угловых погрешностей ТН при холостом ходе и номинальной нагрузке. Полученные данные подтверждают необходимость введения соответ- ствующих поправок в результаты измерений фаз n-х гармонических со- ставляющих напряжения при анализе КЭ. Именно угловыми погрешностя- ми трансформаторов тока и напряжения объясняются возникшие при ис- 21 следовании несинусоидальности напряжения в электрических сетях Ле- нэнерго противоречия в теории распределения потоков мощностей от ис- кажающих потребителей [14]. а б 2 7 12 17 22 27 32 37 2 7 12 17 22 27 32 37 Номер гармоники п Номер гармоники п Рис. 2. Результаты измерений угловой погрешности ТН НОМ-6 при холостом ходе: 1 – 2,6 кВ; 2 – 5,2 кВ; а – ТН 1976 г. выпуска; б – ТН 1983 г. выпуска а б 2 7 12 17 22 27 32 37 2 7 12 17 22 27 32 37 Номер гармоники п Номер гармоники п Рис. 3. Результаты измерений угловой погрешности ТН НОМ-6 при номинальной нагрузке с cosφ = 1: 1 – 2,4 кВ; 2 – 4,8 кВ; а – ТН 1976 г. выпуска; б – ТН 1983 г. выпуска Существенная зависимость угловой погрешности ТН от нагрузки еще раз доказывает необходимость измерений частотных характеристик ТН только на месте эксплуатации при его реальной нагрузке. Рассмотренный автоматизированный метод позволяет быстро и эффективно выполнять та- кие измерения одновременно с поверкой ТН, что в комплексе с предло- женными нормами на частотные характеристики ТН решает проблемы контроля и анализа КЭ в электрических сетях выше 1 кВ. В Ы В О Д Ы 1. Для решения проблем контроля и анализа КЭ в электрических сетях выше 1 кВ необходимо организовать одновременное проведение периоди- ческих поверок и измерений частотных характеристик ТН на месте их экс- плуатации. 2. За основу норм частотных характеристик ТН могут быть приняты требования российских РД 153-34.0-15.501–00. Вместе с тем должна быть установлена норма и для угловой погрешности ТН на высших гармониках в пределах нескольких эл. град. В случае невозможности соблюдения дан- ных норм частотные характеристики ТН, измеренные на месте эксплуата- ции при реальной нагрузке, могут быть учтены при контроле и анализе КЭ 0,6 0,4 0,2 0,0 –0,2 –0,4 –0,6 –0,8 –1,0 ∆ ϕ п, э л. г ра д. 0,4 0,2 0,0 –0,2 –0,4 –0,6 –0,8 ∆ ϕ п, э л. г ра д. ∆ ϕ п, э л. г ра д. 0 –1,0 –0,2 –0,3 –4,0 –5,0 –6,0 –7,0 –8,0 ∆ ϕ п, э л. г ра д. 0 –1,0 –0,2 –0,3 –4,0 –5,0 –6,0 –7,0 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 22 путем введения соответствующих поправок в результаты измерений пока- зателей несинусоидальности напряжения и фаз n-х гармонических состав- ляющих напряжения. 3. Периодическую поверку и диагностирование частотных характе- ристик ТН наиболее целесообразно производить с помощью рассмотрен- ного автоматизированного метода. Его работоспособность и эффектив- ность подтверждены экспериментальной апробацией на реальных объ- ектах. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П р а в и л а пользования электрической и тепловой энергией // Тыдзень. – 1996. – 176 с. 2. Э л е к т р и ч е с к а я энергия. Совместимость технических средств электромагнит- ная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назна- чения: ГОСТ 13109–97. – Взамен ГОСТ 13109–87; Введ. 1.08.1999. – Минск: БелГИСС, 1999. – 31 с. 3. О б у т в е р ж д е н и и перечня областей в сфере законодательной метрологии: по- становление Государственного комитета по стандартизации Респ. Беларусь № 17 от 16.03.2007 (рег. № 8/16199 от 03.04.2007). 4. Я р о с л а в с к и й, В. Н. Об организации периодической поверки измерительных трансформаторов / В. Н. Ярославский, Ю. А. Гамазов // Электротехника. – 2000. – № 9. – С. 44–48. 5. М е т о д измерений частотных свойств трансформаторов напряжения, используемых для контроля ПКЭ / В. Н. Ярославский [и др.] // Метрологическое обеспечение электриче- ских измерений в электроэнергетике. – М.: ВНИ-ИМС, 2000. 6. М е т о д и ч е с к и е указания по контролю и анализу качества электрической энер- гии в системах электроснабжения общего назначения. – Ч. 1: Контроль качества электриче- ской энергии: РД 153-34.0-15.501–00. − М., 2000. – 38 с. 7. М е т о д и ч е с к и е указания по контролю и анализу качества электрической энер- гии в системах электроснабжения общего назначения. – Ч. 2: Анализ качества электриче- ской энергии: РД 153-34.0-15.502–2002. − М., 2002. – 33 с. 8. А р р и л л а г а, Дж. Гармоники в электрических системах / Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер; пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с. 9. Н е ф е д ь е в, Д. И. Способ калибровки измерительных трансформаторов напряжения в расширенном диапазоне частот / Д. И. Нефедьев // Измерительная техни- ка. − 2006. − № 2. − C. 46–48. 10. B r z e z i ń s k i, R. Wpływ harmonicznych na przekładnię przekładnika średniego na- pięcia / R. Brzeziński, S. Piontek // Elektrotechnika – Prądy niesinusoidalne EPN 2006: mate- riały VIII Konferencji – Szkoły, Łagów, 19–21 czerwca 2006 r. / Zielona Góra. Uniwersytet Zielo- nogórski, 2006. 11. Ш и р о к о в, О. Г. Метод и средство измерения частотных свойств трансформато- ров напряжения / О. Г. Широков, О. В. Лымарь // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. – 2005. – № 3. – С. 34–39. 12. У с т р о й с т в о для автоматического измерения частотных характеристик транс- форматора напряжения: пат. РБ № 8884, МПК G 01R 35/00. Опубл. 28.02.2007 // Бюл. изобрет. – 2007. – № 1. 13. У с т р о й с т в о для автоматического измерения частотных характеристик трансформатора напряжения: заявка на устройство № A20070788, МПК G 01R 35/00 / О. Г. Широков, О. В. Лымарь (BY); Гомельский государственный технический универ- ситет имени П. О. Сухого (BY). – Заяв. 25.06.2007. 14. Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е исследования несинусоидальности напряжения в электрических сетях Ленэнерго / В. Н. Никифорова [и др.] // Промышленная энергетика. – 2001. – № 8. – С. 40–50. Представлена кафедрой электроснабжения Поступила 25.05.2009