Измерване качеството на електрическата енергия

Tемата за качеството на електрическата енергия е всеобхватна. Тя покрива всички аспекти на проектирането на ел. системи, от анализ на нива пренос и разпределение, до проблемите за крайните потребители. Поради това, качеството на електрическата енергия е важен въпрос за електроразпределителните дружества, крайните потребители, архитектите, строителните инженери, както и за производителите. Те трябва да работят заедно за разработване на решения, касаещи проблемите около качеството на електрическата енергия.

Въпреки множеството важни документи, статии и книги за качеството на електроенергията, няма еднозначна дефиниция на този термин. Почти всички обаче са на мнение, че този въпрос е от огромна важност за електрическите системи и електрооборудването, и има пряко отношение към ефективността, безопасността и надеждността на системите. Няколко източника придават различно значение на термина "качество на електрическата енергия".

Той се използва едновременно за надеждност на подаването на ел. енергия, качество на услугата, качество на напрежението, качество на електричеството, качество на захранването и качество на потреблението. Съдейки от различните дефиниции, качеството на енергията най-общо се използва за изразяване качеството на напрежението и/или качеството на електричеството и може да се дефинира по следния начин: измерването, анализа и подобряването на напрежението на захранващата шина за поддържане на синусоидалната вълна при номинално напрежение и честота. Тази дефиниция включва всички явления, моментни или в устойчиво състояние.

Проблеми с качеството на електрическата енергия

На първо място е важно да се разбере какви колебания в качеството на електрическата енергия могат да доведат до проблеми при т. нар. чувствителни ел. натоварвания. Тези колебания могат да се класифицират в категории, определени с набор от дефиниции, което да позволи създаването на измерващо оборудване и споделянето на информацията между различни групи, занимаващи се с измервания и оценки.

Работна група на Института на инженерите по електротехника и електроника (IEEE) разработва набор от дефиниции, които могат да се използват за координиране на измерванията. Колебанията в качеството на електрическата енергия се разделят на две основни категории:

Смущения - измерват се чрез създаване на аномалия в напрежението или в мощността. Преходните напрежения се засичат, когато пиковата величина надхвърли определен праг. Колебанията в средноквадратичната стойност на напрежението (RMS) - кратковременни падове или прекъсвания, биват установявани, когато RMS колебанията преминат едно определено ниво.

Колебания при устойчиво състояние - те включват нормалните изменения в RMS напрежението и хармоничните изкривявания. Тези колебания се измерват чрез засичане на напрежението и/или тока за определен период от време. Информацията най-добре се представя като дадено количество (напр. на хармоничното изкривяване) за даден период от време, след което се анализира със статистически методи (средно ниво на изкривяванията, 95% вероятност стойността да не бъде превишена и т. н.).

В миналото измервателното оборудване е било разработвано така, че да отчита или смущенията (с анализатори на смущенията), или измененията в устойчиво състояние (напр. записване на напрежението, мониторинг на хармониците). С напредъка на изчислителните технологии са разработени нови прибори, способни да извършат характеристика на пълния спектър изменения в качеството на електрическата енергия. Новото предизвикателство обаче включва предоставянето на възможност за характеристика на целия набор данни по удобен начин, позволяващ използването им за откриване и решаване на проблеми.

В действителност, в електрическата система не съществува устойчиво състояние. Натоварванията постоянно се променят и системата непрекъснато се приспособява към тези изменения. Всички тези промени и породените от тях съответни реакции водят до колебания на напрежението, които се категоризират като “изменения за дълъг период от време”. Това могат да бъдат понижени или повишени напрежения, в зависимост от специфичните условия във веригата. Характеристиките на напреженията при устойчиво състояние се изразяват най-добре посредством дългосрочни статистики.

Важните характеристики включват величината на напрежението и дисбаланса. Хармоничното изкривяване също е характеристика на напрежението в устойчиво състояние, но тя се разглежда отделно, тъй като не включва изменения в основната честота на напрежението. По-голямата част от оборудването на крайните консуматори не е особено чувствително към тези изменения на напрежението, при условие че те са в определени граници. Приема се, че измененията са дългосрочни, когато те излизат извън тези определени граници в рамките на повече от една минута.

Хармоничното изкривяване на напрежението и тока се появява в резултат от действието на нелинейни натоварвания и устройства в електрическата мрежа. Нелинейните товари, образуващи хармоници, често са представени като токови източници на хармоници. Напрежението в мрежата кара определени натоварвания да създават изкривени токови вълни. Хармоничното изкривяване се дължи на взаимодействието на тези хармоници с импеданса на мрежата.

Съгласно стандарта за хармониците, отговорността за контролирането на нивата им е двустранна - крайните потребители трябва да ограничават хармониците, постъпващи в електрическата мрежа; подаващият захранване трябва да контролира хармониците, като внимава условията за резонанс в мрежата да не причиняват свръхнива на хармоници. Нивата на хармоничното изкривяване могат да се характеризират, използвайки целия спектър на хармоници, с величини и фазови ъгли за всеки отделен компонент на хармоника.

За измерване величината на хармоничното изкривяване е прието да се използва общата стойност на хармоничното изкривяване. При тока стойностите на изкривяването трябва да се отнасят към константа (например номиналното натоварване или необходимото количество електроенергия), а не към основната честота. Това дава постоянна референтна стойност, защото основната честота може да се променя в широк диапазон.

Хармоничното изкривяване е характеристика на напрежението в устойчиво състояние и тока, т. е. то не е смущение. Поради това, характеризирането на нивата му се осъществява посредством профил на хармоничното изкривяване за определен времеви период (напр. 24 часа) и статистика.

Терминът “преходни процеси” се използва за описание на бързи промени в напрежението или електричеството в мрежата. Преходните процеси са по-скоро смущения, отколкото изменения в устойчивото състояние, каквито са хармоничното изкривяване или дисбалансът на напрежението. Смущенията се измерват със създаване на аномалия. При преходни напрежения, това може да е пиковата величина, степента на повишаване или просто промяната на вълната от един цикъл към друг.

В зависимост от характеристиките преходните състояния могат да се разделят в две подкатегории - импулсни и осцилаторни. Преходните състояния обикновено се характеризират със самата вълна, макар че могат да се разработят сумарни качествени показатели (пикова величина, първична честота, темп на нарастване и др.) Проблемите с тях се разрешават с контролиране на преходния процес при самото му появяване, с промяна характеристиките на системата, които влияят на преходния процес или посредством защита на оборудването от тях.

Краткотрайните промени в напрежението включват изменения в основното напрежение, които траят по-малко от минута. Тези изменения се характеризират най-добре посредством съпоставка на RMS напрежението и времето, но често е достатъчно да се ползват и величината на напрежението и времето, през което напрежението надхвърля определените лимити. Обикновено не е нужно да се правят подробни анализи на вълните, тъй като величината на RMS напрежението е най-важна.

Измененията на напрежението могат да включват моментно ниско напрежение (пад на напрежението), високо напрежение (пик) или загуба на напрежението (прекъсване). Прекъсванията са най-тежки по отношение на последствията от тях върху крайните потребители. Падовете на напрежението обаче могат да са по-важни, защото са по-често срещани. При повреда е възможно да се наблюдават падове на напрежението на много места в системата, без това да доведе до прекъсване при крайните потребители.

Такъв е случаят при много повреди в преноса на електроенергия. Голяма част от крайните потребители ползват оборудване, което би могло да бъде чувствително към подобни изменения. Решението на проблема с измененията в напреженията при крайните консуматори може да е доста скъпо, което кара производителите да изследват технологиите за съхранение на енергия.

Измерване качеството на електроенергията

Определянето на качеството на електрическата енергия все още е относително нова и бързо развиваща се област. И докато основните показатели като RMS напрежение и ток се измерват от дълго време насам, много параметри на качеството не са подлежали на измерване, което кара производителите да разработват техни собствени алгоритми за целта.

Понастоящем в световен мащаб има стотици производители, ползващи уникални методи за измерване. С оглед на голямото разнообразие от прибори, боравещите с тях често губят много време в опитите си да разберат възможностите на даден уред и алгоритмите му на измерване, вместо да се съсредоточат пълноценно върху самото измерване качеството на електрическата енергия.

Стандартът IEC 61000-4-30 Клас A определя методите на измерване за всеки параметър на качеството на електроенергията, за получаване на достоверни, повтарящи се и сравними резултати. Също така, той определя точността, обхвата и минималния набор от параметри. Напредвайки с времето, производителите могат да започнат да проектират уреди по стандартите на Клас А, давайки на боравещите с тях фронт за избор на форма и увеличаване точността на измерванията, надеждността и ефективността на извършваната работа.

IEC 6100-4-30 Клас A стандартизира измерванията на: честота на енергията, величина на подаваното напрежение, трептене, хармоници и междинни хармоници, падове и пикове на напрежението, прекъсвания, дисбаланс на подаваното напрежение, сигнали и бързи смени на напрежението.

Изискванията за Клас А включват:

Неопределеността на измерването да е в размер на 0,1% от зададената мощност на вход. По-евтините системи за измерване качеството на електрическата енергия, където неопределеността на измерването е по-голяма от 1% могат погрешно да измерят падове от -9%, когато заложената граница е -10%. С прибори, сертифицирани като Клас А, техниците могат лесно да класифицират аварии спрямо международно приетите нива на неопределеност на измерването.

Това е важно, когато се проверява съответствието със заложените изисквания или когато се сравняват резултати между измервателни инструменти или различни екипи. Падове, пикове и прекъсвания се измерват за пълния работен цикъл и се актуализират на половин цикъл, което дава възможност на прибора да комбинира високата резолюция на събраните в хода на половин цикъл данни с точността на RMS изчисленията за целия цикъл.

Периоди на натрупване - приборът за измерване качеството на енергията компресира събраните данни на определени периоди, наричани “периоди на натрупване”. Прибор от Клас А трябва да предоставя данни при следните периоди на натрупване: 10/12 цикъл (200 ms) на 50/60 Hz, като продължителността на интервала варира спрямо реалната честота; 150/180 цикъл (3 s) на 50/60 Hz, като отново продължителността на интервала варира спрямо реалната честота. Хармониците трябва да се измерват на интервали от 200 ms. При тези интервали е възможно изчисленията на хармониците да са синхронизирани с всички други стойности като RMS, общо хармонично изкривяване и дисбаланс.

Алгоритъмът Бързо преобразуване на Фурие (FFT) за хармоници е специално разработен, за да може всички прибори Клас А да пристигат с едни и същи величини на хармониците. FFT методологията позволява ползването на неопределен брой алгоритми, което може да доведе до множество различни величини на хармониците. При стандартизиране на 5 Hz и събиране на хармониците и междинните хармоници по определени правила, приборите Клас А могат да бъдат уеднаквени и сравними едни с други.

Изисква се външна синхронизация на времето, за постигане на точни дата и час, което да позволи прецизна корелация на данните от различните инструменти. Точността е определена на ±20 ms за 50 Hz и ± 16,7 ms за 60 Hz прибори.

През последните месеци на пазара се появиха голям брой нововъведения като анализатори на качеството на електроенергията, които са в съответствие с изискванията на IEC 61000-4-30 Клас A. Тези нови продукти включват както преносими, така и стационарни уреди, предназначени за поставяне на определени от потребителя места за даден период от време.

Те създават база данни на огромен брой параметри през избрани от потребителя времеви периоди, които по-късно биват анализирани на компютър. Налице е голям избор на продукти, предлагащи различни възможности, от които потребителите могат да изберат най-подходящите за съответните дейности.

Тези нови прибори са проектирани да бъдат лесни за употреба, откривайки междинни и трудни за намиране проблеми с качеството на електрическата енергия. Ръчните анализатори дават възможност за показване на дисплей на съхранени процеси и събития, дори и по време на измерване.

Някои от тях могат да се използват за анализ на смущения, валидиране качеството на подаваната енергия, проверка на капацитет преди подаване на натоварване, както и за оценка качеството на енергията преди и след направени подобрения. Най-добрите прибори имат мощен софтуер за извършване оценка на качеството на енергията на вход в мрежа, в подстанции или при натоварвания по стандарт EN50160. Софтуерът може да извърши бърз анализ на процесите, да изготви статистически изчисления и да генерира подробни графики и таблици.