CC BY
20
ЭНЕРГЕТИКА- И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 621.311.1.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ
И.В.Жежеленко, Ю.Л.Саенко
Колебаниями напряжения называются быстрые изменения эффективного значения напряжения, происходящие со скоростью 1-2 % нормального напряжения в секунду. Нормирование колебаний напряжения производится по степени воздействия на зрение человека. Рассмотрим процесс зрительного восприятия колебаний (фликера). Верхний предел частоты колебаний напряжения, влияющих на зрение, с учетом постоянной времени нитей ламп накаливания соответствует приблизительно 35 Гц при изменениях напряжения менее 10 %. Чувствительность человеческого визуального восприятия колебаний света изменяется в зависимости от частоты и максимум находится между 8 и 10 Гц. Связь между относительной амплитудой изменения напряжения и соответствующим ощущением фликера является квадратичной, т.е. увеличение визуального восприятия происходит быстрее, чем увеличение колебаний напряжения. Другой характеристикой, имеющей отношение к реакции зрительной системы, является эффект запоминания, происходящий в мозгу. Таким образом, восприятие зависит не только от интенсивности последующих, изменений, но и от промежутков времени между ними. С точки зрения фликера лампы накаливания являются нагрузками наиболее чувствительными к колебаниям напряжения, по сравнению с такими нагрузками, как телевизионные приемники, компьютеры, транзисторные устройства управления, которые обычно не реагируют на такие уровни колебаний (порядка нескольких процентов), при которых фликер уже ощущается [2].
Нормирование колебаний напряжения должно базироваться на характерных особенностях процесса восприятия колебаний светового потока, вызываемого колебаниями напряжения. Сущность этого процесса состоит в преобразовании энергии колебаний светового потока в нервную энергию. Процесс зрительного восприятия при наличии колебаний должен рассматриваться на основе теории прохождения сложного сигнала через нелинейную динамическую систему. Ряд экспериментальных исследований позволил построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) анализатора (рисЛ).
Эта характеристика принята стандартом МЭК (Международная электротехническая комиссия). Она характеризует преобразование энергии входного сигнала зрительным анализатором человека. АЧХ может быть получена при достаточно сложном сочетании типовых динамических звеньев, однако с достаточной степенью точности при частоте f > 0,5 Гц анализатор j может быть представлен сочетанием звена задержки и дифференцирующего ; звена с постоянной времени т =0,015 С . j
Доза фликера определяется мощностью колебаний напряжения j
V = | \d?\g2(f)G(f,t)df>
уг-е о
где g(f) - амплитудно-частотная характеристика зрительного анализатора; G(f,t) - частотный спектр процесса изменения напряжения в момент времени t;
8 - интервал осреднения, учитывающий эффект памяти мозгового восприятия, 6 =300 мс..
Величина фликера (1) характеризует процесс физиологического визуального восприятия и адекватно отображает реакцию человека на любой вид фликера, независимо <>т источника возмущения. Коэффициент к в формуле ' (1) должен выбираться таким образом, чтобы значения дозы фликера у =1
соответствовало порогу визуальной восприимчивости возникновения неприятных ощущений. Более высокие значения Будут означать, что интенсивность фликера превосходит порог его восприимчивости и может стать раздражающей или невыносимой.
Для изучения процесса зрительного ощущения явление фликера должно; исследоваться в течение достаточно продолжительного периода времени. Ввиду случайного характера фликера необходимо определять не только максимально - допустимые уровни, но и время превышения заданных уровней фликера за интервал наблюдения. Для этого строится зависимость между уровнями ощущения фликера и соответствующей их длительности в процентах в течение периода наблюдения (упорядоченная диаграмма). По истечении времени наблюдения может быть построена зависимость фликера от времени (рис.2), по
которой может быть построена интегрально-вероятностная функция (НВФ) Р%.
jt ¥(0 „:_____________■■■-v;-
t
Рис.2. Зависимость iy(t). 166
0)j
На рис.З. приведено графическое представление ИВФ; для ясности было использовано только 10 разрядов.
На рис.4 - 6 приведены кривые ИВФ, полученные при различных видах колебаний напряжения для резкопеременных нагрузок.
А
1 2345 6789 10 Разряды
Рис.З. Интегрально-вероятностная функция фликера для 10 разрядов
Как видно кривые по форме различны. Однако несмотря на это необходимо найти критерий, чтобы точно описать их и объективно оценить количественную величину фликера. Если бы кривые ИВФ приближались к стандартному распределению, например к нормальному, они могли бы быть охарактеризованы несколькими параметрами (математическое ожидание, дисперсия и т.д.). Однако это не так, и поэтому должен быть применен многоцелевой метод, позволяющий охарактеризовать любой вид ИВФ. Наиболее подходящим является представление ИВФ в виде
, í' <2>
где Ps i - величина интенсивности фликера; K¡ - взвешивающие коэффициенты; P¡ - уровни ЙВФ. . ..
Для получения требуемого числа точек и соответствующих * - коэффициентов необходимо решить уравнения, соотнося одно значение интенсивности фликера с таким количеством различных кривых ИВФ, сколько имеется коэффициентов, подлежащих определению.
Устойчивое решение может быть получено с помощью пяти точек или уровней, а именно:
Р91 - уровень, который превышался в течение 0,1 % времени наблюдения; Р, - уровень, который превышался в течение 1,0 % времени наблюдения; Р3 - уровень, который превышался в течение 3,0 % времени наблюдения; Pío * уровень, который превышался в течение 10,0 % времени наблюдения; Ря - уровень, который превышался в течение 50,0 % времени наблюдения.
1 I 100 1 "'ТТ1
1 !
1 1 1 _
| I
! , 50 ! ; | _1. 1 ! 1 1-1 I
' Т~Т
| 1 I _
1
- -о-
«ю
О 400 800 1200 1600 400 800 1200 1
Уровень фликера (о.е)
а)
6)
Рис.4. ИВФ при синусоидальной и прямоугольной огибающей на1фяжения а - синусоидальная огибающая
иэф =100В, 501ц, ДУ/У = 10%, Г = 91ц ;
б - прямоугольная огибающая
иэф =75 1ц , 50 Гц , ДУ/У = 8,8 %,{ = 2 1ц
Следует отметить, что максимальный, уровень фликера в течение выбранного промежутка времени не включался, так как пиковое числовое значение имеет очень небольшую длительность и не может быть достоверным показателем в определении фликера. Основой понятия ИВФ является то, что большая длительность какого-либо уровня определяет большую достоверность показаний.
Исходная точка Р^ соответствует уровнк» фликера, который
превышался в течение половины времени наблюдения, и поэтому характеризует средний уровень фликера, дающий общее представление о порядке величины возмущения.
Не менее важным является определение наиболее подходящего времени наблюдения. Его можно было бы выбрать по длительности рабочего цикла оборудования, создающего возмущения. Однако желательно его выбрать на основании общего правила независимо от типа рассматриваемого источника фликера. Для этого необходимо проанализировать физиологию восприятия фликера и результаты исследований и определить длительность промежутка времени, которая будет наиболее значительна для определения реакции человека на широкий диапазон характеристик фликера. Наиболее подходящим промежутком времени является интервал 10 мин. [3]. Этот промежуток времени позволяет избегать того, чтобы уделять большое внимание отдельным изменениям напряжения и в то же время не позволяет субъекту замечать возмущения и их устойчивость. Следует отметить, что этот же интервал принят и МЭК (публикация 555-3).
Уровень фликери
Рис. 6, ИВФ для 10-минутного периода наблюдения дня дуговых сталеплавильных печей (1) и медленного ступенчатого изменения напряжения (2) (3 изменения в минуту с 3 %-й относительной амплитудой)
Многочисленные исследования по оценке реакции человека подтверждают высокочастотную часть кривой предельно допустимых колебаний, приведенной в публикации 555-3 МЭК (рис.7). Однако эта кривая в пределах от 0,1 до 1 изменения в минуту не отражает истинную меру интенсивности фликера, т.к. она была преднамеренно изменена в силу ряда других причин, а не вследствие ограничения фликера. Более корректно было бы увеличить кривые ИВФ до уровня 7,5 % изменения напряжения при 0,1 изменении в минуту вместо 3 % постоянного уровня (рис.7). В связи с этим многоточечный алгоритм представляется целесообразным определять, исходя из кривой реагирования, представленной для прямоугольных колебаний, с последующей экспериментальной проверкой. В результате этого полученные значения для коэффициентов К^ :
К, = 0,0314 - для 0,1 % уровня;
К2 = 0,0525 -для 1,0 % уровня;
К3 = 0,0657 -для 3,0 % уровня;
К4 = 0,28 -для 10,0 % уровня;
V К5 -0,08 - для 50,0 % уровня.
Все выбранные коэффициенты положительные, что обеспечивает устойчивость полученных значений интенсивности фликера.
Для принятого периода наблюдения 10 Мин. интенсивность фликера определяется следующим образом [3]
Р8 = ^0,0314Р01 +0,525^ +0,0657Р3 + 0,28Р,0+0,08Р, • А
Н-н
-+ н- ' 1 I1 -1-1-1
/ ; | 1 ; 1
: |! 1 | 1 • I! :. , |
' !' |
( 1 1' !
ч- Г-- г Т . 1
I —1—
■1 г
К /
1 ■ [
1 I N 1 1 1 4--П ! ] , 1
I
11 : 1. 1 •
И 1' 1 . ; I!: • 1 11 1 : 1 ! 1 ! 1 | 1 1 1
0.1 2 3 4 5 6 78910 2 3 4 5 6 78910 2 3 4 5 6 78910 2 3 4 5 6 78910 ' 2 3 4 5 6 78910
ИЗМЕПР.НИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ В МИНУТУ
Рис.7. Кривая предельно допустимых колебаний напряжения (МЭК 555-3)
Предложенный 10-минутный интервал может быть использован для оценки интенсивности фликера, вызываемого прокатными станами, насосами, бытовым оборудованием и другими отдельными источниками. Однако, когда общий эффект обусловлен рядом резкопеременных нагрузок, характеризующихся случайным характером работы (сварка, электродвигатели др.), необходимо определить критерий длительности фликера. В этом случае наиболее целесообразно представляется анализ последовательности значений фликера за каждый 10-минутный период в течение всего интервала наблюдения. Естественно, что и в этом случае желательно характеризовать фликер единичной характеристикой, которую можно получить кубическим осреднением
Согласно ГОСТ 13109-87 [1] колебания напряжения нормируются в соответствии с рис.8. Кривая 1 соответствует колебаниям напряжения в сетях с осветительными установками с лампами накаливания, где требуется значительное зрительное напряжение. Кривая 2 соответствует колебаниям напряжения в сетях с осветительными установками с лампами накаливания в остальных помещениях, в том числе в жилых зданиях. Кривая 3 соответствует колебаниям напряжения в сетях с осветительными установками с люминесцентными лампами и с другими приемниками электрической энергии.
ГОСТ 13109-87 также нормирует дозу колебаний напряжения, определяемую формулой (1) при к = 1 и интервале осреднения в — 10 мин. В
электрической сети, к которой присоединяют осветительные установки с лампами накаливания в помещении, где требуется значительное зрительное
600 300120 60 30 20 12 6 3 1,5 1 0.5 0.30.15 0.10.05 0.03 0.012 Рис.8. Допустимые размахи напряжения (ГОСТ 13109-87)
Перечень ссылок
1. ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения - М.: Госстандарт СССР, 1988.- 22 с.
2. Жежеленко И В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях,-М.: Энергоатомиздат, 1986.- 168 с.
3. Charles P. Perturbations des reseaux industriels et de distribution, leur compensation par les procédés statiques.- Rovue General d'Electricite, 1979, vol.88,№l.
\
■
