CC BY
50
УДК 621.317.7 с. Н. ЧИЖМА
Р. И. ГАЗИЗОВ
Омский государственный университет путей сообщения
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
На основании проведенного анализа установлены качественные зависимости между спецификой системы электроснабжения железнодорожного транспорта и параметрами электрического сигнала и его спектральным составом, даны рекомендации по использованию зарубежной нормативной документации для контроля сверхвысокочастотных и промежуточных гармоник.
Ключевые слова: параметры электрических сигналов, системы электроснабжения железнодорожного транспорта.
Повышение качества электрической энергии для железнодорожного транспорта имеет особую актуальності. » рамках проблем взаимодействия систем электрической тяги с энергосистемами и другими нетяговыми потребителями. Тенденции перехода на управляемую преобразовательную технику, как на электроноднижном составе |ЭПС), так и » системах тягового электроснабжения, в стационарной электроэнергетике, введение тяжеловесного движения, усугубляющего неравномерность пофазной нагрузки тяговых подстанций, создают условия, приводящие к ухудшению показателей качества электроэнергии (ПКЭ) (гармоническиесоставляющие, несимметрия и о тклонения напряжения, реактивная энергия). Надвигающаяся перспектива введения энергосистемами штрафных санкций за ухудшение ПКЭ делают неотложными для железнодорожной электроэнергетики меры мо введению па отраслевых электропотребителях устройств и технических решений, улучшающих I ЖЭне ниже нормативных значений.
Среди ПКЭ, обозначенных в стандарте 111. особое место занимайте, что не могут быть получены через непосредственные измерения, а только при проведении анализа электрического сигнала.
Изменение частоты питающего напряжения. Частота сетевого напряжения является фундаментальным параметром энергосистемы. Номинальное значение частоты для энергосистем в России 50 Гц. Из-за колебания фазы питающего напряжения изменяется его действительная частота [2|. Стандартом |IJ устанавливаются нормально и предельно допустимые значения отклонения частоты, равные ^0,2 Гц и *0,4 Гц соответственно. Однако в аварийных режимах данный параметр может выходить за обозначенные рамки. Жесткие требования стандарта к отклонениям частоты питающего напряжения обусловлены значительным ее влиянием на режимы работы электрооборудования, ходтехнологаческих процессов производства и, как следствие, технико-экономи-ческие показатели работы промышленных предприятий. Электромагнитная составляющая ущерба обусловлена увеличением потерь активной мощности в электрических се тях и ростом потребления активной и реак тивной мощностей. Некоторые источники
3)
°сАПГ* ■о° »о ó о о 1
19.0 19.2 19.-I 19.6 19.8 20.0
t. с
б)
Риг. I. Зависимость оценки частоты от интервала усреднения
утверждают, что снижение частоты на 1 % увеличивает потери в электрических сетях на 2 %.
Помимо всего вышеуказанного, существует негативный момент изменения частоты при проведении анализа электрического сигнала. Так. при отклонении частоты сигнала от поминальной, происходиттак называемое размытие спектра, ч то приводит в дальнейшем к ухудшению расчета ПКЭ, базирующихся на гармоническом анализе (при фиксированной частоте дискретизации).
Существенное влияние оказывает время усреднения оценки частоты. На рис 1 представлены графики зависимости оценки частоты от интервала усреднения (рис. 1а - время усреднения 0.0*1 с, рис. 16 -время усреднения 0,2 с).
Высокочастотные гармоники. В процессе выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии имеют место искажения формы
ОМСКИЙ HAVNMiaí МС«НИ* N* 3 <»3) 2СМ ПРИЮРОСТКЯНИЕ. МПРОЛОГИ9 И ИНФОРМЛЦ*ОМИО-К1МЕРИПЛЫ<Ы{ ПРИБОРЫ и системы
ГРИБОРОСІРСЕМИЄ. МПРОЛОЛ1І И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫ» ПРИБОРЫ И СИС1ІМИ
сннусоидальныхтоков и напряжений. Электрические приемники (ЭП) с нелинейными вольт-амперными характеристиками потребляют из сети несинусо-идальныечокн при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, создают падения напряжения н сопротивлениях этих элементов и, наклады паись на основную синусоиду напряжения, приводят к искажениям формы кривой напряжения в узлах электрической сети. Высшие гармоники тока и напряжения вызывают дополнительные потерн активной мощности но всех элементах системы электроснабжения: п линиях электропередачи, трансформаторах, элек трических машинах, статических конденсаторах, гак как сопротивления гггих элементов зависят от частоты.
Наличие высших гармоник неблагоприятно сказывается на работе не только электрооборудования потребителей, но и электронных устройс тв в энергосистемах.
Стандартом [ 11 устанавливается анализ электросети па высокочастотные гармоники вплоть до 40. В условиях резонанса высших гармоник возможны значи тельные выбросы мощности на определенных частотах (3), поэтому исследование электрического сигнала на наличие высокочастотных гармоник является одной из основных задач анализа.
Сиорхвысокочастотные гармоники. В статье [4| приведено доказательство существования в электросетях гармоник выше 40. Причем влияние данной гармонической группы па ПКЭ (а именно, коэффициент несинусоидальности) пссьма существенно. Кроме того, сверхвысокочастотные составляющие оказывают негативное влияние на средства связи, автоматики и телемеханики.
Стандарт (11 никоим образом не регламентирует кон тролі, гармоник выше 40. В то же время предполагается, что диапазон до 9 кГц должен контролироваться специалистами электрических систем. В той же статье приводятся рекомендации по расширению диапазона измеряемых гармоник и совершенствованию соответствующих алгори тмов обработки измеренных сигналов. Однако в мировой практике уже существуют нормативные ограничения на напряжения и токи больших частот (5).
На рис. 2 представлен пример спектра электрического сигнала дуговой сталеплавильной печи (ДСП), содержащего как высокочастотные, так и сверх высокочастотные гармоники. Сходство электрических процессов на ЭПС и ДСГІ, а также соизмеримость мощностей позволяет сделать предположение о том,
что электрический сигнал на ЭПС имеет схожий с ДСП спектральный состав.
Промежуточные гармоники. В цикле статей |(j) приведены факты существования и анализ возникновения промежуточных гармонических составляющих (частотой, не кратной 50 Гц). Токи промежуточных гармонических составляющих вызывают гармоническое искажение напряжения в зависимости от величины амплитуд компонент, составляющих сишал тока, а также от полного сопротивления системы электроснабжения па рассматриваемой частоте. Среди непосредственных воздействий промежуточных гармоник на ЭПС выделяются следующие: тепловой эффект; низкочастотные колебания в механических системах; возникновение помех в системе освещения, в сигналах управления и защиты; возникновение перегрузок в пассивных параллельных фильтрах гармоник высшего порядка; насыщение трансформаторов тока; изменение среднеквадрати-ческого значения амплитуды напряжения.
Bio время как в стандарте 111 отсутствует упоминание о данной группе составляющих, положения стандарта |7|, принятые Международной электротехнической комиссией, регламентируют порядок расчета и нормирования данных составляющих.
Примером присутствия промежуточных гармоник в сигнале напряжения может служить рис. 3. Из рисунка видно, что промежуточные гармоники соизмеримы с целочисленными г армониками; также отображены средние действующие значения напряжений гармоник (круглые) и максимальные действующие значения напряжения па периоде наблюдения |квад-ратные маркеры).
Нестационарные процессы. Резонансные явления, скачки и провалы напряжения, импульсы - все эти процессы являются нестационарными. Их описанию и исследованию посвящены работы (3| и |8|. Помимо выбросов реактивной мощности данные явления резко сокращают срок служб!,i элек трооборудования, приводяткложному срабатыванию и отключению сис тем автоматики, выводя т полупроводниковые приборы в критические режимы работы. В зависимости от времени усреднения, ПКЭ отображают количественно данные процессы в большей или меньшей степени, однако никак но качественно. Именно поэтому задача де тектирования и анализа нестационарных процессов является одной из ключевых при контроле качества электроэнергии.
В настоящее время для контроля ПКЭ широко применяются как отечественные («ЭРИС», «Г1Г1КЭ», «Ресурс-иП», «Парма», «ИВК-Омск», «Энертомоии-
12
І
= in
і
g-8
Ж
X
5 6 !<
К
і-4
—і
I
L і и .Ai lül lili ill iii і LI
О 10 20 30 40 50 W 70 Ж) 90 ICO Номер гармоники
Рис. 2. Пример спектра фазных напряжений с рассчитанными коэффициентами нссинусонлальносгн ДСП
S'
—і \ 1
і і 1 1
і і 7 1
с 1 I
V .
0 12 3 4 5 6 7
Номер гармоники
Рис. 3. Спектр сигнал«! напряжении ДСП с промежуточными гармониками
тор» и др.), так и зарубежные приборы (Fluke и др.). В статье [2\ авторы выражают несоответствие существующих приборов контроля качества электроэнергии современным потребнос тям в облас ти энергомониторинга и энергосбережения, и в первую очередь отечественных приборов. Внимание уделяется как техническим характеристикам представленного оборудования, так и методам и алгоритмам оценки параметров качест ва электроэнергии, которые в данных приборах реализованы. Одним из ключевых недостатков устройств называется сохранение усредненных ПКЭ на значительно длинных интервалах усреднения, что позволяет лишь констатировать факт отклонения ПКЭ. Данный подход к контролю ПКЭ не позволяют провести исследова тельские мероприятия по выявлению непосредственно процессов, приведших к ухудшению ПКЭ, для принятия соответствующих мер по их устранению либо уменьшению.
Помимо непосредственно приборов контроля ПКЭ современное приборостроение показывает тенденцию к совмещению функций счетчика электроэнергии и прибора контроля ПКЭ. Данное направление вост ребовано, вследствие требования потреби телей оплачивать лишь гот объем потребленной электроэнергии, для которого ПКЭ не выходили за пределы стандарта [1).
В заключение можно сказать, что существующий стандарт [11 устарел с точки зрения современных требований к расчету и нормированию определенных групп гармонических составляющих напряжения и тока питающей сети, а также некоторых других параметров, таких как частота. В сложившейся ситуации, до принятия соответствующих поправок и дополнений в национальном стандарте, следует руководствоваться положениями международных документов |5, 7] для оценки ПКЭ и их нормирования.
Выводами представленной статьи можно принять следующие положения. Во-первых, подтверждается специфика системы электроснабжения железнодорожного транспорта, заключающаяся в наличие нелинейных, резконеремепиых нагрузок и, следующей отсюда, несинусондальности элек трического сигнала, и. во-вторых, наличие нестационарных процессов. Данные факторы формируют сложный спектральный состав элек трического сигнала, анализ которого является основной задачей при контроле ПКЭ и состояния энергосистемы в целом. Если вопрос анализа сигнала на высшие гармоники (до 40) хорошо изучен,
а методы его проведения четко регламентированы стандартом 11), то проблема исследования электрического сигнала в системе элек троснабжения железнодорожного транспорта на присутствие сверхвысокочастотных и промежуточных гармоник остается открытой.
Библиографический список
1. ГОСТР 13109-97. Электрическая гшпргия. Сопмгстимость технических средстнллектромлгнитиля. 11ормы качссгв«1 электрической энергии я системах электроснабжения общем о назначения. — М.: ИЗЛДГРЛЬСТПО Стандартов, 1997. — -14 с.
2. Кучумои Д. А., Кузнецов А А., Сапунов М. В. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов//1 If)-вости электротехники. - 2004. — No 4. — C.64-GG.
3. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость / М. П. Бадер. - М.: УМК МПС. 2002. - 638 с.
*1. Кучумов Л. Д., Кузнецов А. А., Сапунов М. В Доказано: В элскчросетях существуют высшие гармошпшечйшгглмнеимшо ’¿кГц// Погости электротехники. — 2005. — N«2. — С. 64 - 66.
5. C1SPR 11:2003 Industrial, scientific and medical (ISM) radlo-trequency equipment — Electromagnetic disturbance characteristics — Limits and methodsoi measurement. International special committee on radio Interference, 2004.
G. Ханзелха 3.. БьсиьА. Интертармоннки // Энергосбережение. - 21105. - N«6. - С.СО —04.2006. - №3. - С 88 - 95,2006 -№4. - С. 82-06.
7.1ЕС6Ю00—4-7:2002 Elcctromagnelic compatibility |ЕМС) Part 4—7: Testing and mruisuromnnl techniques — General guide on harmonics and Intorharmonics measurements and Instrumentation, tor power supply systems «and equipment connected thereto. International electrotechnical commission. 2002.
8. Грицутенко С. С. Повышение достоверности измерения показателей качества электрической энергии и системах тягового электроснабжения / С. С. Грицутенко : дне.... канд. техн. наук. - Омск. 2007. - 151 с.
ЧИЖМА Сергей Николаевич, кандидаттехиических наук, заведующий кафедрой «Автоматика и системы управления».
Адрес для переписки: e-mail: С h i7.h maSNfnfrom q u ps.ru ГАЗИЗОВ Равиль Ильшатович, аспирант кафедры «Автоматика и системы управления».
Адрес для переписки: e-mail: GazizovRl@mail.ru
Статья поступила и редакцию 27.05.2009 г.
© С. Н. Чижма, Р. И. Газизов
Книжная полка
Корис, Р. Справочник инженера-схемотехника [Текст] / Р. Корне, X. Шмидт-Вальтер; пер. с англ. Ю. Л. Заболотной; иод ред. Е. Л. Свипцова. — М.: Техносфера, 2008. — 607 с.: рис., табл. — (Мир электроники). — 151ЫЧ 978-5-94836-164-2.
Удобный, компак тный и достаточно полный источник иш|юрмации но электротехнике и электронике, основам расчета цепей постоянного и переменного тока, закономерностям электрических и магнитных нолей, принципам измерения основных электрических величин, аналоговой и цифровой схемотехнике, силовым электрическим компонентам. Большое количество иллюстраций упрощают поиск необходимой информации. В справочнике не просто представлен набор формул и уравнений, в нем даны разъяснения фундаментальных закономерностей и способов их применения.
Книга адресована студентам, инженерам, разработчикам электронной аппаратуры и измерительных систем. Справочник переведен на несколько языков, в Германии переиздавался шесть раз.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КС1НИК N* 3 «}) 2СС9 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. WПРОЛОГИ9 И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИЬОРЫ И СИСТЕМЫ
