Статья рассматривает вопросы актуальности оптимизации силовых сетей сегодня, ключевые причины снижения качества электроэнергии в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения, а также пути решения проблемы низкого качества электроэнергии в силовых сетях.
Пролонгированный в стране и мире «пандемический бум», по сути, отсрочил, как цифровизацию экономики, так и цифровую трансформацию электросетей. Однако именно из-за пандемии и вызванных ей, а также рядом других, не менее важных факторов, предельно сложных условий деятельности бизнеса вопрос оптимизации силовых сетей объектов разного назначения стал не просто актуальным, а критическим, ведь de facto:
- на силовых сетях буквально построена и «держится» вся отечественная экономика, включая те же больницы, медицинские городки, где риски аварий, сбоев в электроснабжении, поставках электроэнергии низкого качества не допустимы;
- «выживание» бизнеса при стагнации экономики определяется возможностью и эффективностью снижения затрат, а здесь отечественные силовые сети дают значительный резерв даже при проведении технических мероприятий по компенсации реактивной мощности и нивелированию гармоник (см. финансовые выгоды от интеграции установок УКРМ здесь, от устранения эмиссии гармоник в этом материале);
- качество любой продукции зависит от точности выполнения производственно-технологического процесса, а это реально только при работе оборудования в силовой сети со стабильными, «стандартными» параметрами и бесперебойном электроснабжении.
Ключевые причины снижения качества электроэнергии в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения
Упрощенно для ясного понимания можно выделить следующие основные причины снижения качества электроэнергии в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения:
- перетоки реактивной мощности, излишне нагружающие систему электроснабжения с негативами в виде провалов напряжения, бросков тока, перенапряжения, а также ускорения износа оборудования, кабельных линий и пр.;
- гармонические загрязнения, вызывающие перегрев кабелей из-за скин-эффекта, искажение синусоид тока, напряжения с пакетом негативных последствий, нарушение работы полупроводниковых приборов и телекоммуникации с системами управления;
- несбалансированность нагрузки, вызывающая дисбаланс напряжения, увеличение тока нейтрали, перегрузку, перекос фаз и т. д.
Далеко не на всех объектах в силу специфики построения и эксплуатации инфраструктуры удается устранить проблему дисбаланса нагрузки по фазам, однако с компенсацией реактивной мощности и нивелированием эмиссии (и трансмиссии из других сетей) гармонических искажений вопрос можно решить уже сегодня, хотя и не с «традиционным» подходом.
Справка
Традиционное понимание реактивной мощности долгое время базировалось на предельно упрощенной «двухмерной» концепции, где индуктивные нагрузки вызывали «отставание» синусоиды тока от напряжения питания на угол от 0° до 90° (при чисто индуктивной на 90°), что приводит к уменьшению активной составляющей Р (полезная работа) в объеме потребляемой полной мощности S, а емкостные нагрузки наоборот — «опережение», хотя и с тем же негативным эффектом за счет формирования доли реактивной энергии Q.
Т. е. по сути, при набросе в сеть реактивной мощности индуктивного характера ее можно компенсировать емкостной энергией аналогичной величины, но противоположной «по знаку» и на этом принципе построены все конденсаторные установки УКРМ и/или регулируемые тиристорами шунтирующие реакторы (Тhyristor-controlled Reactor — TCR).
Главной задачей проектировщиков технических средств нивелирования перетоков реактивной энергии в сети, по сути, была необходимость максимально возможного устранения рисков, как недокомпенсации («b» на рис. ниже), так и перекомпенсации («с» на рис. ниже), причем и по величине, и по времени, что de facto привело к разработкам устройств на тиристорных вентилях (УКРМТ, тех же TCR, комбинированных сборок Thyristor-switched Capacitor & Тhyristor-controlled Reactor).
С эволюцией силового оборудования и сетей ситуация кардинально изменилась и в основном из-за увеличения эмиссии гармонических искажений нелинейными, а особенно параметрическими нагрузками в виде преобразователей, сегодня по факту используемых повсеместно от офисного оборудования до электроприводов, сварочных агрегатов и печей. Из-за влияния гармоник от «треугольника» мощностей сегодня перешли к параллелепипеду, хотя de facto первую трехмерную диаграмму мощностей для трехфазной сети разработали еще в 1935 году Силсби и Кертис (Silsbee и Curtis).
Пути решения проблемы низкого качества электроэнергии в силовых сетях
В итоге на текущий момент нужно разобраться, понять (или принять «на веру») факты того, что:
- практически все силовые сети сегодня от локальной абонентской в квартире, частном доме до инфраструктуры промышленного объекта построены на нелинейных нагрузках, причем параметрические (конвертеры, инвертеры в выпрямителях, ИБП, приводах) генерируют значительные по амплитудам и спектру гармоники;
- реактивная мощность (индуктивная или емкостная) на фундаментальной частоте и общая среднеквадратичная реактивная мощность — разные из-за наличия токов гармоник, но если счетчики электроэнергии это учитывают, то сам потребитель упускает и платит «лишнее» за то, что может превентивно устранить;
- в достаточно большом числе случаев нецелесообразно использовать для нивелирования гармоник активные фильтры гармоник (АФГ), поскольку превалирующая доля гармонических искажений приходится на гармоники низких порядков, эффективно устраняемых простыми и недорогими шунтирующими L-C колебательными контурами;
- как АФГ, так и УКРМТ на тиристорных вентилях по факту являются источниками гармоник и, если анализ параметров качества сети выявляет искажения больших амплитуд, то устанавливать УКРМТ, АФГ нужно вместе с пассивными фильтрами.
Любое техническое решение компенсации реактивной мощности и/или нивелирования токов гармоник должно быть обосновано и разрабатываться только на базе полноценного энергоаудита с анализом пакета параметров качества электроэнергии в силовой сети конкретного объекта.
