CC BY
199
УДК 621.316
ОБ ЭКОНОМИЧЕСКОМ УЩЕРБЕ ОТ СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ИСТОЧНИКАХ ЕГО ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ON THE ECONOMIC DAMAGE FROM REDUCTION OF POWER QUALITY AND THE SOURCES OF ITS ORIGIN
Воронин Вячеслав Андреевич,
ассистент, e-mail: VoroninVA670@yandex.ru Voronin Vyacheslav A., assistant Лебедев Геннадий Михайлович, докт. техн. наук, профессор Lebedev Gennadiy M., Dr. Sc. (Engineering), professor
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Аннотация: Проблема рационального использования топливо-энергетических ресурсов имеет огромное значение для национальной экономики. Энергосбережение и энергоэффективность являются одним из стратегических направлений приоритетного технологического развития в Российской Федерации. Важным направлением энергосбережения является управление качеством электроэнергии и оптимизация его показателей. Для достижения поставленных задач необходим тщательный анализ экономического ущерба от воздействия электромагнитных помех и источников их возникновения.
В статье представлен обзорный анализ экономического ущерба от снижения качества электроэнергии: приведены данные о его основных источниках, составлен перечень составляющих ущерба и выполнена его классификация. По результатам обзора литературы выполнен анализ влияния основных видов промышленного оборудования на качество электроэнергии, а также приведены средние уровни, генерируемых ими, электромагнитных помех.
Abstracts: The problem of rational use of energy resources is of great importance for the national economy. Energy saving and energy efficiency are one of the strategic priorities for technological development in the Russian Federation. An important direction of energy saving is the management of power quality and optimization of power quality indices. To achieve these objectives is needed a careful analysis of economic damages from reduction ofpower quality and the sources of its origin.
The paper present an overview of the economic damages caused by disturbances ofpower quality. The main sources of the economic damages and the classification of its components, are described. According to the results of the literature review analyzed the impact of the main types of industrial equipment on the power quality. Also shows the average levels of electromagnetic interference generated by this equipment.
Ключевые слова: качество электроэнергии, экономический ущерб, электромагнитные помехи
Key words: power quality, economic losses, electromagnetic interference
Любая электроустановка проектируется для работы при номинальных значениях параметров электрической энергии. Отклонение значений этих параметров при наличии электромагнитных помех (ЭМП) приводит к ухудшению условий работы электрооборудования. Ущерб от низкого качества электроэнергии обходится российской экономике по минимальной оценке в 25 млрд. долларов в год (по данным [1]), для 25-ти стран Евросоюза в 150 млрд. евро в год, а для США в 119-188 млрд. долларов в год (по данным [2]). Наибольшая доля ущерба наблюдается в промышленном секторе, что обусловлено высокой энергоемкостью промышленных предприятий, а также
использованием мощного искажающего электрооборудования (дуговые сталеплавильные печи, мощные преобразовательные установки и т. п.) по сравнению с предприятиями сферы обслуживания. Столь внушительные величины ущерба свидетельствуют о наличии нерешенных проблем с качеством электроэнергии промышленных предприятий не только в России, но и в других странах мира.
В современных условиях рыночной экономики эффективное использование топливо-энергетических ресурсов является важным фактором, влияющим на конкурентоспособность промышленных предприятий. В настоящее время проблемы энергоэффективности и энергосбереже-
ния являются одним из стратегических направлений приоритетного технологического развития в Российской Федерации. Качество электроэнергии является важным аспектом энергосбережения. В связи с этим, необходима разработка мер, направленных на улучшение и оптимизацию качества электроэнергии потребителей для минимизации ущерба экономике страны, что является реализацией современной энергетической политики России.
На основании анализа литературных источников по данной тематике [2-6] можно выделить следующие составляющие ущерба при снижении качества электроэнергии:
1) повреждение основного оборудования, порча и поломка инструментов;
2) расстройство технологического процесса;
3) брак, порча сырья и готовой продукции, снижение ее качества;
4) простой или недоиспользование рабочей силы (оплата труда простаивающего персонала);
5) недовыработка или несвоевременная выработка продукции;
6) дополнительные эксплуатационные расходы из-за изменения режима работы предприятия в связи с переносом производства продукции на другие периоды времени, оплата сверхурочной работы;
7) затраты на внеплановые ремонты или замену поврежденного оборудования;
8) стоимость дополнительного расхода топлива на электростанциях из-за неоптимального послеаварийного (ремонтного) режима их работы;
9) стоимость дополнительных потерь электроэнергии в электрических сетях в периоды восстановления поврежденного оборудования;
10) ущерб третьим лицам;
11) упущенная выгода и утрата нематериальных активов;
12) специфический ущерб.
Специфический ущерб обусловлен негативным воздействием ЭМП малой интенсивности, не приводящих к нарушению нормальной работы оборудования. Значительные уровни ЭМП и/или их длительное воздействие могут привести к более серьезным последствиям и соответственно к любому из других одиннадцати пунктов экономического ущерба. К специфическому ущербу относится:
1) увеличение затрат на техническое обслуживание, преждевременный выход из строя электрооборудования;
2) увеличение потребления активной и/или реактивной мощности вследствие отклонения режимных параметров работы оборудования и увеличения потерь мощности;
3) снижение эффективности функционирования конденсаторных батарей;
4) снижение качества освещения;
5) увеличение погрешности измерительных
приборов и приборов учета.
В случае остановки производства или отдельных агрегатов, при расчете экономического ущерба необходимо учитывать сокращение затрат: от неиспользуемого сырья; от снижения выплат заработной платы; от снижения потребления топливно-энергетических ресурсов.
Экономический ущерб от снижения качества электроэнергии можно классифицировать по ряду категорий. Большинство авторов для классификации пользуются понятиями ущерба:
- прямого и косвенного, т.е. ущерба, обусловленного непосредственно рассматриваемым воздействием и вызванного вторичными эффектами;
- потребительского и системного, т.е. ущерба, возникающего во внутренней сети потребителя и в сетях энергосистемы;
- электромагнитного и технологического, т.е. ущерба, влияющего на электрические сети и на технологический процесс.
При классификации ущерба следует также учитывать характер проявления негативного эффекта во времени. По данному критерию экономический ущерб может быть разделен на непрерывный (например, дополнительные потери мощности, сокращение срока службы оборудования и т.п.) и единовременный (например, внезапный выход из строя оборудования, сбой в работе систем управления и защиты и т.д.).
Наличие ЭМП в системах электроснабжения потребителей может быть обусловлено как поставкой некачественной электроэнергии сетевой организацией, так и деятельностью самого потребителя. В первом случае ЭМП обусловлены несимметрией и/или нелинейностью параметров сетевого электрооборудования (линии электропередачи, трансформаторы), атмосферными явлениями и искажениями, вносимыми в сеть смежными потребителями. Источниками ЭМП во внутренней сети потребителя являются электроприемники, для которых характерна: фазная несимметрия параметров, наличие нелинейных элементов, резко-переменный режим работы со значительными набросами нагрузки и т.д. По результатам анализа литературных источников [7-12] составлена сводная таблица основных характеристик промышленного электрооборудования (таблица 1), влияющих на качество напряжения. Кроме того, по данным работ [8,13-16] приведены усредненные уровни ЭМП в сетях с различными типами электрооборудования (таблица 2).
Как следует из таблиц 1 и 2, большинство видов промышленного электрооборудования могут являться источниками ЭМП. Как правило, их работа сопровождается генерацией сразу нескольких видов ЭМП. Особенно стоит отметить прокатные станы, сварочные установки и дуговые печи, являющиеся источником целого ряда кондуктивных помех. Даже оборудование, обладающее линейной
вольтамперной характеристикой и спокойным режимом работы (например, печь сопротивления) может являться источником помех, вызванных работой электроприемников вспомогательных механизмов и/или его однофазным исполнением.
Приведенные данные свидетельствуют о тяжелой электромагнитной обстановке во внутри-промышленных электрических сетях. Значительный уровень ЭМП, в первую очередь, опасен для наименее помехоустойчивого оборудования -средств автоматизированных систем управления технологическими процессами. Влияние ЭМП на системы управления может проявляться в виде:
функционального преобразования возмущений в изменение параметров регулирования или скачкообразного изменения параметров технологического процесса, приводящее к сбоям и остановам управляемых агрегатов. Подобные нарушения могут повлечь за собой серьезные последствия для предприятия.
Как отмечается в ряде публикаций [17, 18], в некоторых случаях наличие ЭМП, превышающих допустимые уровни, не сказывается на работе силового электрооборудования. В связи с этим, разработка мероприятий по управлению качеством электроэнергии в первую очередь должна быть
Таблица 1. Перечень основного промышленного электрооборудования, являющегося источником электромагнитных помех
Table 1. The list of the main industrial electrical equipment, which is a source of electromagnetic disturbance
№ п/п Наименование Режим работы Нелинейные элементы Генерируемые ЭМП
1 Прокатные станы Значительные колебания нагрузки. Возможна работа с реверсом, торможением, холостым ходом в зависимости от типа стана Преобразователь частоты (ПЧ) (в зависимости от типа привода) Колебания и провалы напряжения, несинусоидальность (при наличии ПЧ)
2 Металлорежущие станки Повторно-кратковременный - большинство станков; Продолжительный -крупные токарные, карусельные, шлифовальные и др. Преобразователь частоты (в зависимости от типа привода) Провалы напряжения (при пуске), несинусоидальность (при наличии ПЧ)
3 Конвейеры, вентиляторы, насосы, компрессоры Продолжительный - Провалы напряжения (при пуске)
4 Электролизные установки Продолжительный, непрерывный Выпрямитель Несинусоидальность
5 Печи сопротивления Продолжительный Преобразователь частоты у привода вспомогательных механизмов, тиристор-ный регулятор мощности Несимметрия, несинусоидальность (при наличии тиристорно-го регулятора мощности)
6 Дуговые печи Резкопеременный, непрерывно-циклический Преобразователь частоты у привода вспомогательных механизмов, электрическая дуга, печной трансформатор Несимметрия, несинусоидальность, провалы и колебания напряжения
7 Индукционные печи Продолжительный. При наличии нескольких индукционных единиц -импульсный характер Тиристорный преобразователь Несимметрия, несинусоидальность
8 Установки электросварки Повторно-кратковременный Выпрямитель (в установках постоянного тока и с накоплением энергии), электрическая дуга, прерыватели тока (в установках контактной сварки) Несимметрия, несинусоидальность, провалы и колебания напряжения
Таблица 2. Средние уровни ЭМП в электрических сетях с различными типами электроприемников Table 2. Average levels of electromagnetic disturbance in electric networks with different types of electric receivers
Наименование электроприемника Класс напряжения, кВ Отклонение напряжения, % Колебания напряжения, % Несимметрия напряжения по обратной последовательности, % Несинусоидальность напряжения, %
Электролизные установки 0,4 -11 - 0 - - 6 - 8
6/10 -6 - 2 - - 3,7 - 12,7
110 - - - 4,1 - 10
220 - - - 1,7 - 10
Дуговые сталеплавильные печи 6/10 -6 - 6 1 - 12 0,75 - 6 0,5 - 8
35 -5 - 5 1 - 6 0,5 - 5 0,7 - 10
110 -6 - 7 0,5 - 3 0,5 - 3 0,1 - 2,5
220 - - 0 - 1,3 0 - 2,5
Прокатные станы 0,4 - - - 6,5 - 10,4
6/10 -10 - 5 1 - 30 0 - 2,2 4 - 30
Электрическая тяга 6/10 - - 0,59 - 14 5,36 - 9,8
27,5 - - 5 - 14 6 - 12,9
110 - - 2 - 3,9 -
Сварочные установки 0,4 -8 - 0 20 - 25 0 - 5 3,5 - 8
6 - - - 3 - 6
Однофазные электротермические установки 6/10 - - 0 - 18 -
Примечание - знак «-» обозначает отсутствие данных по данной ЭМП
направлена на защиту систем управления.
Выводы:
1) влияние ЭМП может носить слабовыра-женный характер и проявляться в виде непрерывного специфического ущерба (дополнительные потери мощности, снижение срока службы оборудования и т.д.);
2) влияние ЭМП также может проявляться и виде резких изменений характеристик напряже-
ния, остановов и сбоев в работе оборудования, что влечет за собой значительный экономический ущерб, определяемый практически всеми составляющими, указанными в вышеприведенном перечне;
3) первоочередной задачей для снижения величины экономического ущерба от воздействия ЭМП является защита наименее помехоустойчивых элементов - систем управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добрусин, Л.А. Проблема качества электроэнергии и электросбережения в России // Энергоэксперт. - 2008. - №4. - С. 30-35
2. Targosz, R. European power quality survey report / R. Targosz ,J. Mason. - 2008. URL: http://www.leonardo-energy.org/sites/leonardo-energy/files/root/pdf/2009/PQSurvey.pdf
3. Багиев, Г.Л. Основы экономики и управления качеством энергии / Г.Л. Багиев; под. ред. Б.А. Константинов. Л., Изд-в Ленингр. ун-та, 1979. - 120 с.
4. Самойленко, И.А. Классификация и систематизация видов ущерба от низкого качества электроэнергии / И.А. Самойленко // Экономика Крыма - 2010. - №2. - С. 109-115
5. Единая межведомственная методика оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций техногенного, природного и террористического характера, а также классификации и учета чрезвычайных ситуаций -М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2004
6. Непомнящий, В.А. Экономические потери от нарушений электроснабжения потребителей / В.А. Непомнящий. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 188 с.
7. Иванов, В.С. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий / В.С. Иванов, В.И. Соколов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 336 с.
8. Вагин, Г.Я. / Электромагнитная совместимость в электроэнергетике / Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.А. Севостьянов - Нижегород. гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 2004. - 214 с.
9. Фотиев, М.М. Электрооборудование прокатных и трубных цехов / М.М. Фотиев. - М.: Металлургия, 1995. - 256 с.
10. Зимин, Е.Н. Электрооборудование промышленных предприятий и установок / Е.Н. Зимин, В.И. Преображенский, И.И. Чувашов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 552 с.
11. Болтов, А.В. Электротехнологические установки / А.В. Болтов, Г.А. Шепель. - М.: Высш. шк., 1988. - 336 с.
12. Кудрин, Б.И. Электрооборудование промышленности / Б.И. Кудрин, А.Р. Минеев. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 432 с.
13. Войнов, С.Л. Нормирование показателей качества электроэнергии и их оптимизация / С.Л. Вой-нов, А.З. Гамм, И.И. Голуб и др. 1988. - 249 с.
14. Жежеленко, И.В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, М.Л. Рабинович, В.М. Божко. - К.: Техшка, 1981. - 160 с.
15. Шамонов, Р.Г. Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях: дис. к.т.н. Москва, 2003. - 155 с.
16. Карташев, И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.
17. Вагин, Г.Я. О необходимости приведения нормативных документов по электромагнитной совместимости к требованиям международных стандартов / Г.Я. Вагин, А.А. Севостьянов // Промышленная энергетика - 2010 - №11. - С. 45-48.
18. Вагин, Г.Я. Комментарии к новому ГОСТ Р 54149-2010 и сопровождающим его стандартам / Г.Я. Вагин // Промышленная энергетика - 2013 - №1. - С. 39-43.
REFERENCES:
1. Dobrusin, L.A. Problema kachestva elektroenergii i elektrosberezheniya v Rossii [The problem of power quality and electricity saving in Russia]. Energoekspert [Energyexpert]. 2008. No 4. P. 30-35
2. Targosz, R. European power quality survey report. 2008. URL: http://www.leonardo-energy.org/sites/leonardo-energy/files/root/pdf/2009/PQSurvey.pdf
3. Bagiev, G.L. Osnovy ekonomiki i upravleniya kachestvom energii [Basis of the economics and energy quality management]. Leningrad, Publishing of Leningrad State University. 1979. 120 P.
4. Samoylenko, I.A. Klassifikatsiya i sistematizatsiya vidov ushcherba ot nizkogo ka-chestva elektroenergii [Classification and systematization of types of damage caused by the poor power quality]. Ekonomika Kry-ma. 2010. No 2. P. 109-115
5. Edinaya mezhvedomstvennaya metodika otsenki ushcherba ot chrezvychaynykh situatsiy tekhnogen-nogo, prirodnogo i terroristicheskogo kharaktera, a takzhe klassifikatsii i ucheta chrezvychaynykh situatsiy [United interagency method of estimating damage from technogenic emergencies, natural and terrorist nature and the classification and accounting of emergency situations]. Moscow, FGU VNII GOChS (FTs), 2004.
6. Nepomnyashchiy, V.A. Ekonomicheskie poteri ot narusheniy elektrosnabzheniya po-trebiteley [Economic losses from the interruption of power supply of consumers]. Moscow, Publishing of Moscow Power Engineering Institute, 2010. 188 P.
7. Ivanov, V.S. Rezhimy potrebleniya i kachestvo elektroenergii sistem elektro-snabzheniya promyshlen-nykh predpriyatiy [Operating modes of consumption and power quality in power supply system of industrial plant]. Moscow, Energoatomizdat, 1987. 336 P.
8. Vagin, G.Ya. Elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroenergetike [Electromagnetic compatibility in power industry]. Nizhny Novgorod, Publishing of Nizhny Novgorod State Technical University, 2004. 214 P.
9. Fotiev, M.M. Elektrooborudovanie prokatnykh i trubnykh tsekhov [Electrical equipment rolling and pipe shops]. Moscow, Metallurgiya, 1995. 256 P.
10. Zimin, E.N. Elektrooborudovanie promyshlennykh predpriyatiy i ustanovok [Electrical equipment of industrial enterprises and installations]. Moscow, Energoizdat, 1981. 552 P.
11. Boltov, A.V. Elektrotekhnologicheskie ustanovki [Electrotechnological installation]. Moscow: Vyssh. shk., 1988. 336 P.
12. Kudrin, B.I. Elektrooborudovanie promyshlennosti [Electric equipment of industry]. Moscow, Iz-datel'skiy tsentr «Akademiya», 2008. 432 P.
13. Voynov, S.L. Normirovanie pokazateley kachestva elektroenergii i ikh optimizatsiya [Rationing of power quality indices and their optimization]. 1988. 249 P.
14. Zhezhelenko, I.V. Kachestvo elektroenergii na promyshlennykh predpriyatiyakh [Power quality on industrial enterprises]. Kiev. Tekhnika. 1981. 160 P.
15. Shamonov, R.G. Razrabotka metodiki otsenki vliyaniya kachestva elektroenergii na poteri moshchnosti i energii v elektricheskikh setyakh [Development of methodology for assessing the impact of power quality on the power and energy losses in electric networks] : dis. k.t.n. Moscow, 2003. 155 P.
16. Kartashev, I.I. Upravlenie kachestvom elektroenergii [Power quality management]. Moscow, Publishing of Moscow Power Engineering Institute, 2006. 320 P.
17. Vagin, G.Ya. O neobkhodimosti privedeniya normativnykh dokumentov po elektromagnitnoy sovmes-timosti k trebovaniyam mezhdunarodnykh standartov [On the necessity of adjusting the regulations on electromagnetic compatibility and the quality of electricity in accordance with the requirements of international standards]. Promyshlennaya energetika energetika [Industrial power engineering]. 2010. No. 11. P. 45-48.
18. Vagin, G.Ya. Kommentarii k novomu GOST R 54149-2010 i soprovozhdayushchim ego standartam [Comments on the new standard for the quality of electric power GOST R 54149-2010 and attributed standards]. Promyshlennaya energetika [Industrial power engineering]. 2013. No. 1. P. 39-43.
Поступило в редакцию 20.04.2016 Receiced 20 April 2016
