Отклонения напряжения
Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения −фазного или линейного в зависимости от схемы включения потребителей.Отклонения напряжения вызывают наибольший ущерб. Основными причинами отклонений напряжения в СЭС промышленных предприятий являются изменения режимов работы электроприёмников, изменения режимов питающей энергосистемы.
В пределах одной ступени трансформациизначение напряжения сети изменяется в относительно небольших пределах, поэтому с целью упрощения расчётов и достижения большей наглядности на практике пользуются понятием отклонения напряжения.
Под отклонением напряжения (
)
понимают разность между фактическим
(действительным) значением напряжения
(
)
для данной сети: 
. (1)
Если 
выражается в процентах от
,
а
и
. (2)
Вычисляют значения усреднённого
напряжения 
как результатNнаблюдений основной частоты
или основной частоты и прямой
последовательности
за интервал времени 1 мин:
Число наблюдений за 1 мин должно быть не менее 18.
В России согласно ГОСТ 13109-97в условиях нормальной работы приёмников электроэнергии отклонениенапряжения от номинального значения допускаются в следующих пределах:
а) 
на зажимах электродвигателей и аппаратов
для их пуска иуправления;
б) 
на зажимах приборов рабочего освещения,
установленных в производственных
помещениях и общественных зданиях, где
требуется значительное зрительное
напряжение, а также в прожекторных
установках наружного освещения;
в) на зажимах остальных приёмников электроэнергии, в том числе приёмников электроэнергии животноводческих комплексов и птицефабрик, допускают отклонения напряжения в пределах 5 % номинального;
г) в электрических сетях сельскохозяйственных районов, кроме животноводческих комплексов и птицефабрик,и в сетях, питающихся от шин тяговых подстанций электрифицированного транспорта, при наличии специальных технико-экономических обоснований с разрешения Министерства энергетики и электрификации допускаются другие значения отклонений напряжения.
Колебания напряжения
Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения и дозой фликера, к которым относятся динамично изменяющиеся огибающие действующего (амплитудного) значения напряжения в результате изменений резкопеременной нагрузки.
Размах изменения напряжения
Размах изменения напряжения − это
разница между значениями следующих
один за другим экстремумов огибающей
напряжения основной частоты, определённых
на каждом полупериоде, выраженная в
процентах от 
:
На рис. 1 приведён пример колебаний
напряжения, иллюстрирующие размах 
и интервал между смежными колебаниями
.
Рис. 1. Размах напряжения с
интервалом 
Частоту повторения изменений напряжения при периодических колебаниях напряжения вычисляют по формуле:
, (9.4)
где 
− количество
изменений напряжения со скоростью более
1% в секунду
за время T; T − интервал времени измерения, принимаемый
равным 10 мин.
Допустимые значения размахов изменений напряжения на зажимах ламп накаливания определяют по кривым, представленным в справочной литературе, в зависимости от частоты их повторения или интервала между следующими друг за другом изменениями напряжения.
Отклонения напряжения
Отклонения напряжения характеризуются показателем установившегося отклонения напряжения. Нормально допустимые и предельно допустимые значения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % от начального (номинального) напряжения электрической сети. Допустимые значения U в точках общего присоединения потребителей напряжением 0,4 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией.
Измерение установившегося отклонения напряжения осуществляется для каждого наблюдения за период времени, равный 24 ч. Измеряют значение напряжения, которое в электрических сетях однофазного тока определяют как действующее значение напряжения основной частоты Uw без учета высших гармонических составляющих напряжения, а в электрических сетях трехфазного тока — как действующее значение каждого междуфазного (фазного) напряжения основной частоты U(X)h а также как действующее значение напряже
ния прямой последовательности основной частоты.
При определении напряжения допускается:
а)определять методом симметричных составляющих;
б)определять в электрических сетях трехфазного тока значениенапряжения прямой последовательности основной частоты по при
ближенной формуле
в) измерять в электрических сетях однофазного и трехфазного тока вместо действующих значений фазных и междуфазных напряжений основной частоты действующие значения соответствующих напряжений с учетом гармонических составляющих этих напряжений при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения, не превышающем 5 %.
Качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжения в точке общего присоединения к электрической сети считают соответствующим требованиям, если все измеренные за каждую минуту в течение установленного периода времени (24 ч) значения установившегося отклонения напряжения находятся в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями, а не менее 95 % измененных за тот же период времени значений установившегося отклонения напряжения находятся в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями.
Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода за нормально и предельно допустимые пределы. При этом качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжений считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5 % от установленного периода времени, т.е. 1ч 12 мин, а за предельно допустимые значения — 0 % от этого периода времени.
Отклонения и колебание напряжения
Измерение
установившегося отклонения напряжения
δUyосуществляется для каждогоi-го
наблюдения за период времени, равный
24 ч. Измеряют значение напряжения,
которое в электрических сетях однофазного
тока определяют как действующее значение
напряжения основной частотыU
Затем вычисляют значение усредненного напряжения Uукак результат усреднения Nнаблюдений напряжений U(1)iили U1(1)iза интервал времени 1 мин. по формуле
(12.3)
где Ui— значение напряжения U(1)iили U1(1)iвi-м наблюдении, кВ (число наблюдений за 1 мин должно быть не менее 18).
Окончательное значение установившегося отклонения напряжения δUy(%):
(12.4)
где Uном — номинальное межфазное (фазное) напряжение.
Качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжения в точке общего присоединения к электрической сети считают соответствующим требованиям, если все измеренные за каждую минуту в течение установленного периода времени (24 ч) значения установившегося отклонения напряжения находятся в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями, и не менее 95 % измеренных за тот же период времени значений находятся в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями.
Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода за нормально и предельно допустимые пределы. При этом качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжений считают соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т. е. 1ч 12 мин, а за предельно допустимые значения — 0% от этого периода времени.
Колебания напряжения характеризуются размахом изменения напряжения δUt, % и дозой фликераPt, отн. ед.
Рис. 12.1. Колебания напряжения произвольной формы (а)и имеющие форму меандра (б)
Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения δUуи размаха изменений напряжения δUt вточках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10% от номинального напряжения.
Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера Pst при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,38, а для длительной дозы фликера РLtпри тех же колебаниях напряжения равно 1,0. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч.
Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера Pstу потребителей, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,0, а для длительной дозы фликера РLtв этих же точках — 0,74.
Требования к отклонениям напряжения в договорах электроснабжения
Требования к установившемуся отклонению напряжения в точке присоединения потребителя определяют расчетом и указывают в виде диапазонов отклонений напряжения отдельно для режимов наибольшей и наименьшей нагрузок потребителя. В случае когда сети 6–20 и 0,4 кВ являются внутренними сетями потребителя, такой расчет должен выполнить потребитель. Рекомендуется следующая процедура установления требований к отклонению напряжения в договоре электроснабжения (договоре на услуги по передаче электроэнергии) или в технических условиях на присоединение.
В предварительных технических условиях или проекте договора энергоснабжающая организация сообщает потребителю диапазоны отклонений напряжения, которые она может поддерживать в точке присоединения потребителя в режимах наибольшей и наименьшей нагрузок сети и часы суток, соответствующие этим режимам. Если потребителя не устраивают данные условия, он должен представить расчет диапазонов отклонений напряжения в режимах наибольшей и наименьшей собственных нагрузок и указать часы суток, соответствующие этим режимам. При этом сеть потребителя должна удовлетворять требованиям по допустимым потерям напряжения.
При отсутствии у потребителя расчета диапазонов отклонений напряжения, соответствующих параметрам и режимам работы его сети, и его несогласии с условиями, предложенными энергоснабжающей организацией, потребитель в своих требованиях может ориентироваться на типовые условия, приведенные ниже.
При присоединении потребителя к шинам 0,4 кВ РТ 6–20/0,4 кВ диапазоны отклонений напряжения устанавливают следующими:
- для режима наибольшей нагрузки потребителя – от +0 % до +5 %;
- для режима наименьшей нагрузки потребителя – от 5 ⋅ (kмин – 1)% до +5 %, где kмин – отношение наименьшей и наибольшей суточных нагрузок потребителя.
При присоединении потребителя к линии 0,4 кВ энергоснабжающей организации устанавливают диапазон от –5% до +5 % для любых режимов.
При присоединении потребителя к шинам 6–20 кВ подстанции 35–500/6–20 кВ, принадлежащей энергоснабжающей организации, диапазоны отклонений напряжения устанавливают следующими:
- для режима наибольшей нагрузки потребителя – от +4 % до +7 %;
- для режима наименьшей нагрузки потребителя – от 0 % до +3 %.
При присоединении потребителя к сети 6–20 кВ через свой РТ 6–20/0,4 кВ и учете электроэнергии на стороне 6–20 кВ РТ диапазоны отклонений напряжения устанавливают меньшими указанных выше на величину потерь напряжения от шин 6–20 кВ подстанции 35–220/6–20 кВ до РТ потребителя. Величины указанных потерь напряжения принимают по данным энергоснабжающей организации. Если учет электроэнергии производится на стороне 0,4 кВ РТ, диапазоны отклонений напряжения устанавливают аналогично случаю присоединения потребителя к шинам РТ. При этом потребитель обязан установить на трансформаторе рабочее ответвление, указанное энергоснабжающей организацией.
При присоединении потребителя к сети напряжением 35 кВ и выше диапазон отклонений напряжения устанавливают от 0 до +10 % для всех режимов. При отсутствии РПН на трансформаторе потребителя диапазоны отклонений напряжения определяют по согласованию с энергоснабжающей организацией. Отсутствие РПН на трансформаторе потребителя не является основанием для предъявления энергоснабжающей организацией более жестких требований по сравнению со случаем наличия РПН.
Если энергоснабжающая организация не в состоянии выдерживать требуемые диапазоны отклонений напряжения, оговаривают мероприятия, которые должны быть проведены, сроки и сторону, ответственную за их проведение.
Требования по предельно допустимым значениям установившегося отклонения напряжения отражают записью:
«В соответствии с ГОСТ 13109–97 отклонения напряжения в течение не более 1 ч 12 мин каждых суток могут выходить за границы установленных в договоре диапазонов в обе стороны, но не более чем на 5 % номинального напряжения. При этом они не должны превышать наибольшего допустимого напряжения для электрооборудования напряжением свыше 1000 В».
Наибольшие допустимые напряжения для электрооборудования напряжением свыше 1000 В устанавливают в соответствии с ГОСТ 721–77 «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В» (прил. 8).
При наличии у энергоснабжающей организации информации о значениях импульсных напряжений, коэффициентов временного перенапряжения и частоты появления провалов напряжения ее рекомендуется включать в технические условия на присоединение и в договор электроснабжения в качестве справочных данных.
Отклонение напряжения в электрических сетях и его влияние на потребителей
Из-за наличия сопротивления проводов при передаче электрической энергии напряжение не остается одинаковым, а уменьшается при отдалении приемника от источника электрической энергии. Изменение напряжения напрямую зависит от величины тока линии, поэтому величина абсолютного напряжения электроприемников будет зависеть от нагрузки последних.
Ниже показан график изменения напряжения вдоль линии при равномерном распределении нагрузки:
Из данного рисунка видно, что максимальное значение будет на выходе трансформатора U1 = 231 В, точка а.
По мере удаления от источника величина напряжения будет снижаться, и в конце линии (точке в) станет равным U2 = 209 В. Из всех подключенных к данной линии электроприемников номинальное значение будет только у электроприемников подключенных к точке б. Остальные же потребители будут получать электроэнергию либо повышенным напряжением (до точки б), либо пониженным (после точки б).
Алгебраическая разность между напряжением на зажимах электроприемника U и его номинальным напряжением Uн называется отклонением напряжения и выражается формулой:
Таким образом, отклонение может быть как положительным, так и отрицательным.
Для удобства представления отклонение часто выражают в процентом соотношении:
Каждый потребитель электрической энергии рассчитывается на вполне определенное номинальное напряжение, при котором обеспечивается его нормальная работа.
Отклонение напряжения ухудшает работу электроприемников. Например, световой поток обычной лампы накаливания при V = -10% ухудшается примерно на 30%, а при V = +10% срок службы лампы сокращается примерно на 60%.
Данные отклонения влияют и на работу электрических машин.
Из теории электрических машин известно, что момент асинхронного трехфазного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения на его зажимах. При значительных снижениях напряжения момента электродвигателя может не хватить для запуска, а при его работе он может и вовсе остановится, чем перейдет в режим короткого замыкания.
В случае если напряжение на зажимах электродвигателя выше номинального, то увеличится его намагничивающий ток, что приведет к уменьшению коэффициента мощности cos φ и увеличению потребляемой реактивной мощности. Кроме того, возрастут потери на нагрев электродвигателя, что не есть хорошо. Поэтому ПУЭ регламентирует допустимые отклонения в сетях с учетом их влияния на работу потребителей электрической энергии различного назначения.
Некоторые значения допустимых отклонений приведены ниже:
Для того, чтобы обеспечить на электроприемниках напряжение близкое к номинальному, источники питания (генераторы, трансформаторы) изготавливаются с номинальными значениями выходных напряжений выше на 5%, чем у потребителей.
В таком случае максимально допустимая потеря напряжения жилой застройки от источника электроэнергии к потребителю составит:
А для общественных и производственных зданий:
В эти величины входят также и внутренние потери на обмотках трансформаторов и генераторов.
Величина напряжения на шинах трансформаторной подстанции со стороны потребителей (сторона низшего напряжения НН) напрямую зависит от величины напряжения на стороне высшего напряжения ВН, степени загрузки трансформатора и коэффициента мощности потребителей. При выполнении расчетов электрических сетей НН обычно считают, что напряжение на первичной обмотке трансформатора равно его номинальному значению.