Анонс: аварийность силовых сетей и перспективы ее снижения в мире и России. Максимально просто о нагрузках «идеальной» и реальной современной силовой сети. Коэффициент мощности из традиционного «треугольника» и de facto.
В последние десятилетия во всех развитых странах мира отмечается увеличение числа аварий на объектах разного назначения, и хотя International Electrotechnical Commission (аббрев. IEC) уже неофициально признала факт критического негативного влияния на рост аварийности сугубо «электрических» проблем введением IEEE 1531-2020 буквально в разгар пандемии, а в нашей стране, как говорится, воз и ныне там.
Безусловно, прогрессом в этом направлении в России стали ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020, ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, ГОСТ Р 59032.1/4-2020, однако пока все наработки в стандартах не более, чем декларации на бумаге, а Минэнерго и те же «Россети» или ФСК ЕЭС больше заняты продвижение IT-отрасли в цифровой трансформации электросетей и игнорируют явные нарастающие проблемы в силовых сетях объектов.
По старинке коэффициент мощности оценивает негативное влияние силовой сети абонента на распределительную сеть, а в отношении самого объекта контроль буквально сведен на нет, хотя не так давно приказом № 465 Минэнерго РФ было введено техническое освидетельствование сетей 1 кВ и выше. Т. е. по факту получилось, что спасение утопающих — дело рук самих утопающих, и поэтому ряд материалов команды «МИРКОН» направлен на помощь этим утопающим в решении проблемы аварийности силовых сетей объектов.
Максимально просто о нагрузках «идеальной» и реальной современной силовой сети
В «идеальной» трехфазной системе:
- Нагрузки линейные, т. е. если мгновенное напряжение изменяется в течение периода синусоидальной волны, мгновенный ток растет и падает пропорционально напряжению, так что форма волны тока также остается синусоидальной, а зависимости между током, сопротивлением нагрузки, напряжением описываются законом Ома.
- Фазные напряжения смещены друг к другу на 120°, и если отдельные фазы одинаково нагружены, то результирующий ток в нейтрали будет равен нулю.
- В значительных объемах присутствуют гармонические возмущения, но если сеть искажена гармониками тока, то кратные трем гармоники будут складываться в нейтрали, а ток нейтрали может превышать токи каждой из отдельных фаз в три раза.
Справка
Не вполне корректно говорить, что линейная нагрузка — только резистивная. Нагрузки с опережающим напряжением (индуктивная) или опережающим током (емкостная) считаются линейными, поскольку даже если две формы сигналов не совпадают по фазе друг с другом, искажения формы сигнала не происходит.
Однако в типовой современной силовой сети превалирующее большинство нагрузок — нелинейные.
Справка
Нагрузка считается нелинейной, если потребляемый ей ток не будет синусоидальным даже при подключении к источнику синусоидального напряжения, т. е. здесь не работает закон Ома, поскольку сопротивление не является постоянным, а ток изменяется во время каждой волны синусоиды напряжения, что на практике приводит к серии положительных и отрицательных импульсов. Такой нелинейный ток содержит частотные составляющие, кратные частоте энергосистемы, взаимодействующие с импедансом электросети и ответственные за искажения напряжения.
Наиболее распространенными нелинейными нагрузками в современных энергосистемах являются энергоэффективные приводы с регулируемой скоростью и импульсные источники питания (SMPS), устройства дугового разряда, энергосберегающие системы освещения, компьютерная техника и пр.
Коэффициент мощности из традиционного «треугольника» и de facto
Коэффициент мощности — математический параметр, на который, тем не менее влияют, как характер нагрузки, гармонические искажения, так и дисбаланс нагрузок, причем ситуация ухудшается с увеличением фазового сдвига между током и напряжением, а также с увеличением искажения тока.
Коэффициент мощности находят, как отношение значений активной Р и полной S мощности и (условно) cosϕ служит мерой эффективности использования энергии нагрузкой, т. е., упрощенно, в системе электроснабжения нагрузка с высоким коэффициентом мощности потребляет меньше тока, чем нагрузка с низким cosϕ при том же количестве передаваемой полезной мощности и, таким образом, имеет лучший КПД. Уменьшение активной мощности Р в сравнении с полной S вызвано потребностью в реактивной энергии Q, условно не выполняющей полезной работы, хотя она идет на создание магнитного поля индуктивной нагрузки.
Традиционный плоский треугольник мощности продолжает использоваться для расчетов в современных энергетических системах, хотя это правомерно только для силовых сетей с линейными нагрузками, ток и напряжение которых сохраняет форму правильной синусоиды, а при наличии в системе гармоник появляется новый фактор — (упрощенно) мощность искажений D, а при расчетах нужно переходить на объемную форму геометрических зависимостей мощностей (более детально см. «Теории и IEEE 1459 о балансе мощности»).
Т. е. de facto современная энергосистема не может и не должна оцениваться по коэффициенту мощности cosϕ на фундаментальной частоте, а с учетом искажений на всех нефундаментальных частотах, которые по факту и ответственны за большую долю аварийных ситуаций в силовых сетях объектов.
Важно
Предварительно посчитать объемы перетока реактивной мощности можно на простом калькуляторе, а специалисты «МИРКОН» могут детализовать реальные финансовые, технические и технологические преимущества пакетного устранения искажений на фундаментальной и нефундаментальных частотах для конкретной силовой сети.
Часть фото взята из открытых источников
