

50
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
К
ачество
электроэнергии
(
КЭЭ
)
оказывает
большое
влияние
на
эффективность
функцио
-
нирования
всех
отраслей
экономики
России
.
Результаты
ис
-
следований
КЭЭ
[1–4]
показывают
,
что
в
ряде
регионов
страны
качество
электроэнергии
не
соответствует
действующим
нормам
.
Решение
во
-
просов
построения
промышленных
систем
электроснабжения
(
СЭС
)
с
учетом
факторов
,
влияющих
на
КЭЭ
,
является
определяющим
для
обеспечения
эффективной
и
без
-
аварийной
работы
данных
систем
электроснабжения
[1].
Вопрос
повышения
КЭЭ
,
как
правило
,
является
актуальным
для
сетей
,
к
которым
присоединено
большое
количество
потребителей
,
имеющих
резкопеременный
,
несим
-
метричный
и
несинусоидальный
ре
-
жим
работы
.
Возникающие
в
сетях
помехи
носят
случайный
характер
искаже
-
ния
напряжения
и
при
воздействии
на
технологическое
оборудование
промышленных
предприятий
приво
-
дят
к
нарушению
технологического
цикла
производства
,
вызванного
не
-
правильной
работой
систем
автома
-
тики
,
ошибкой
определения
режим
-
ных
параметров
электрической
сети
и
нарушением
режимов
работы
про
-
изводственного
оборудования
.
В
системах
электроснабжения
около
60%
брака
и
нарушений
техно
-
логического
режима
работы
промыш
-
ленных
электроприемников
связано
с
низким
качеством
электроэнергии
,
в
том
числе
и
с
нарушениями
,
вы
-
званными
провалами
(
ПН
)
и
преры
-
ваниями
напряжения
(
ПРН
).
Указан
-
ные
помехи
могут
быть
причинами
сбоев
в
системах
управления
и
за
-
щиты
электроприемников
,
ошибок
в
работе
микропроцессорной
тех
-
ники
,
приводить
к
повреждению
оборудования
и
возникновению
не
-
штатных
режимов
работы
основ
-
ного
оборудования
промышленных
объектов
.
Сложность
современных
технологических
процессов
и
высо
-
кие
требования
к
поддержанию
их
стабильности
при
возникновении
в
сети
ПН
и
ПРН
приводят
к
появ
-
лению
ущербов
.
В
таблице
1
пред
-
ставлены
значения
ущербов
от
кратковременных
перерывов
элек
-
троснабжения
в
сфере
информаци
-
онных
технологий
[3, 5].
Причинами
больших
ущербов
от
низкого
качества
электроэнергии
[1, 6]
являются
:
–
усложнение
структуры
и
функций
электроэнергетических
систем
,
Севостьянов
А
.
А
.,
к
.
т
.
н
.,
доцент
,
заведующий
кафедрой
«
Электроэнергетика
,
электроснабжение
и
силовая
электроника
»
Нижегородского
государственного
технического
университета
им
.
Р
.
Е
.
Алексеева
Ключевые
слова
:
качество
электроэнергии
,
мониторинг
,
провал
напряжения
,
прерывание
напряжения
,
электромагнитная
совместимость
О влиянии провалов и прерываний
напряжения на режимы
функционирования промышленных
систем электроснабжения
УДК
621.316.7:621.311.13
Около
90%
искажений
показателей
качества
электрической
энергии
является
следстви
-
ем
функционирования
электроприемников
промышленных
предприятий
.
Это
связано
с
тем
,
что
существующие
подходы
к
нормированию
,
мониторингу
и
управлению
каче
-
ством
электроэнергии
не
учитывают
специфику
возникающих
ущербов
в
различных
отраслях
промышленности
и
дают
большие
погрешности
.
При
этом
в
промышленной
системе
электроснабжения
возникают
не
только
медленные
изменения
напряжения
и
гармонические
искажения
,
но
и
помехи
,
вызванные
провалами
и
прерываниями
на
-
пряжения
,
что
может
стать
причиной
сбоя
технологического
оборудования
.
Однако
несмотря
на
возможный
ущерб
,
в
стандартах
,
касающихся
качества
электроэнергии
,
провалы
и
прерывания
напряжения
не
нормируются
и
часто
не
учитываются
при
проек
-
тировании
и
эксплуатации
систем
электроснабжения
.
В
статье
на
основании
проведен
-
ного
анализа
значений
показателей
качества
электрической
энергии
показана
необ
-
ходимость
учета
провалов
и
прерываний
напряжения
при
эксплуатации
промышленных
систем
электроснабжения
.

51
приводящих
к
более
тяжелым
последствиям
при
отказе
одно
-
го
из
элементов
сис
темы
;
–
сложность
современных
техно
-
логических
процессов
и
высо
-
кие
требования
к
поддержанию
их
стабильности
;
–
отсутствие
у
потребителей
элек
-
троэнергии
средств
мониторин
-
га
показателей
КЭЭ
;
–
несовершенство
нормативно
-
технической
документации
по
нормированию
,
мо
-
ниторингу
и
управлению
качеством
электроэнергии
.
Несмотря
на
возможный
ущерб
,
в
стандартах
на
качество
электрической
энергии
показатели
,
харак
-
теризующие
ПН
и
ПРН
,
не
нормируются
и
часто
не
учитываются
при
проектировании
систем
электро
-
снабжения
.
Переход
к
интеллектуальным
сетям
бу
-
дет
способствовать
еще
большему
числу
сбоев
в
ре
-
жимах
работы
технологического
оборудования
от
данных
помех
,
что
связано
с
восприимчивостью
циф
-
ровых
элементов
сетей
к
такого
вида
возмущениям
.
УРОВНИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПОМЕХ
В
ПРОМЫШЛЕННЫХ
СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Результаты
исследований
качества
электрической
энергии
[2]
показывают
,
что
для
промышленных
объ
-
ектов
в
среднем
в
30%
случаев
контроля
показате
-
лей
качества
показатели
не
соответствуют
требова
-
ниям
ГОСТ
32144–2013 [7],
при
этом
:
–
отрицательные
и
положительные
отклонения
на
-
пряжения
не
соответствуют
требования
для
18%
измерений
при
контроле
показателей
КЭЭ
;
–
суммарный
коэффициент
гармонических
состав
-
ляющих
напряжения
— 0,5%
измерений
;
–
коэффициент
n
-
й
гармонической
составляющей
напряжения
— 5%
измерений
;
–
коэффициент
несимметрии
напряжения
по
обрат
-
ной
последовательности
— 0,5%
измерений
;
–
коэффициент
несимметрии
напряжения
по
нуле
-
вой
последовательности
— 6%
измерений
.
В
большинстве
случаев
технические
проблемы
,
связанные
с
функционированием
электроприемни
-
ков
при
нарушении
качества
электрической
энергии
в
РФ
,
вызваны
:
–
гармониками
напряжения
—
в
18%
случаев
сбоя
технологи
-
ческого
оборудования
;
–
провалами
или
прерываниями
напряжения
—
в
52%
сбоев
;
–
другими
видами
помех
и
воз
-
действий
—
в
30%
сбоев
.
В
странах
Европейского
союза
основными
причинами
сбоя
в
ра
-
боте
технологического
оборудова
-
ния
являются
:
–
гармонические
составляющие
—
5,4%;
–
провалы
напряжения
— 23,6%;
–
импульсные
напряжения
—
29%;
–
другие
виды
помех
и
воздействий
— 42%.
Для
США
статистика
отказов
в
работе
оборудова
-
ния
составляет
:
–
от
провалов
и
импульсных
напряжений
— 48%;
–
от
гармонических
искажений
— 22%;
–
другие
виды
помех
и
воздействий
— 30%.
На
основании
представленных
данных
отметим
,
что
наиболее
частыми
причинами
сбоев
в
работе
промышленного
технологического
оборудования
и
систем
автоматики
являются
возникающие
в
сети
помехи
в
виде
ПН
и
ПРН
.
Данные
помехи
возникают
в
нормальном
режиме
работы
промышленного
обо
-
рудования
,
к
которому
относится
технологическое
оборудование
предприятий
:
дуговые
сталеплавиль
-
ные
печи
(
ДСП
),
различные
прокатные
станы
,
сва
-
рочные
машины
,
электроприемники
с
двигательной
нагрузкой
.
На
рисунке
1
представлен
график
ПН
,
характеризующий
форму
провала
напряжения
,
по
-
лученный
при
проведении
измерений
на
одном
из
фидеров
0,4
кВ
сварочного
участка
промышленного
предприятия
.
Рассмотрим
уровни
электромагнитных
помех
(
ЭМП
),
в
частности
ПН
,
вносимые
в
сеть
промыш
-
ленными
электроприемниками
[8–10].
При
своей
работе
ДСП
создают
нерегулярные
ПН
с
частотой
до
1
Гц
и
регулярные
ПН
частотой
до
10
Гц
.
Регулярные
ПН
при
работе
ДСП
имеют
глубину
провала
,
как
правило
,
не
превышающую
5%
от
ве
-
личины
питающего
напряжения
.
Нерегулярные
ПН
характеризуются
глубиной
провала
,
доходящей
в
от
-
дельных
случаях
до
100%.
Причинами
нерегулярных
ПН
являются
неблагоприятные
условия
зажигания
дуг
в
период
плавки
металла
,
неустойчивое
их
го
-
Табл
. 1.
Ущерб
от
кратковременных
перерывов
электроснабжения
в
сфере
информационных
технологий
Сфера
бизнеса
Ущерб
,
долл
./
мин
Услуга
операторов
мобильной
связи
41 000
Розничная
торговля
с
помощью
средств
телекоммуникаций
72 000
Резервирование
авиабилетов
90 000
Операции
с
кредитными
карточками
258 000
Брокерские
операции
648 000
Рис
. 1.
График
провала
напряжения
(
фидер
0,4
кВ
сварочного
участка
)
20,5
20,4
20,3
20,2
20,1
0,0
–20,1
–20,2
–20,3
–20,4
–20,5
–20,6
–20,7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
160 170
180 190
t
,
мс
U
,
В
№
6 (81) 2023

52
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рис
. 4.
Характеристика
помехоустойчивости
:
а
)
инвер
-
тора
;
б
)
выпрямителя
U
/
U
ном
, %
80
60
40
20
0
(
а
)
(
б
)
0,001 0,01 0,1
t
,
с
рение
,
эксплуатационные
короткие
замыкания
элек
-
тродов
с
шихтой
в
момент
пуска
печи
и
при
обвалах
шихты
.
Сварочные
машины
при
своей
работе
создают
в
сети
ПН
,
величина
которых
зависит
от
мощности
машины
и
источника
питания
[11].
Машины
рельеф
-
ной
и
точечной
сварки
создают
ПН
глубиной
до
7%.
До
19%
ПН
создают
при
своей
работе
стыковые
и
многоточечные
машины
.
При
этом
длительность
провалов
напряжения
для
точечных
,
рельефных
,
многоточечных
и
шовных
сварочных
машин
со
-
ставляет
0,02–1,0
с
,
стыковых
сварочных
машин
—
0,2–20
с
.
Величина
ПН
,
создаваемая
прокатными
ста
-
нами
,
зависит
от
их
типа
.
В
качестве
приводов
прокатных
станов
используются
синхронные
,
асинхронные
и
двигатели
постоянного
тока
.
Прокатные
станы
с
приводами
от
синхронных
и
асинхронных
электродвигателей
являются
ис
-
точниками
колебаний
и
ПН
.
Так
блюминги
и
сля
-
бинги
в
сетях
6–10
кВ
создают
ПН
глубиной
до
20%
при
длительности
1–5
с
и
средней
частотой
20–40
провалов
в
минуту
.
Листовые
станы
горя
-
чей
прокатки
создают
ПН
величиной
от
2%
до
10%
длительностью
1–5
с
и
средней
частотой
от
2
до
20
в
мин
.
Величина
ПН
при
работе
стана
холодной
прокатки
составляет
от
2%
до
20%
с
длительно
-
стью
2–20
с
и
средней
частотой
провалов
от
4
до
20
в
час
.
Прессы
и
автоматические
прессовые
линии
при
своей
работе
создают
ПН
,
составляющие
1–5%
с
ча
-
стотой
следования
0,17–0,2
Гц
.
Транспортеры
,
вентиляторы
и
компрессоры
в
мо
-
мент
пуска
оборудования
являются
источниками
провалов
,
глубина
которых
не
превышает
:
–
у
транспортеров
и
конвейе
-
ров
— 1,2%;
–
вентиляторов
— 3–5%;
–
компрессоров
— 4–6%.
Асинхронные
и
синхронные
двигатели
создают
ПН
глубиной
от
1%
до
20%
и
длительностью
от
3
с
до
10
с
.
Частота
ПН
зависит
от
режимов
работы
электродвигате
-
лей
.
Наибольшая
частота
наблю
-
дается
при
повторно
-
кратковре
-
менном
режиме
работы
оборудования
.
ВЛИЯНИЕ
ПРОВАЛОВ
И
ПРЕРЫВАНИЙ
НАПРЯЖЕНИЯ
НА
ПРОМЫШЛЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКИ
Уровень
влияния
ПН
и
ПРН
на
промышленные
элек
-
троприемники
зависит
от
факторов
,
определяющих
глубину
ПН
,
длительность
провала
и
частоту
по
-
явления
ПН
.
При
этом
наиболее
чувствительными
к
данным
видам
помех
являются
системы
управле
-
ния
и
защиты
промышленных
электроприемников
[9, 10, 12],
построенных
на
базе
микропроцессорной
техники
.
На
рисунке
2
показана
область
критичных
ПН
и
ПРН
,
вызывающих
сбой
в
работе
микропроцес
-
сорных
систем
управления
[13].
Для
систем
автоматики
,
включающих
в
свою
структуру
управляющие
реле
,
магнитные
пускатели
,
программируемые
контроллеры
и
элементы
регули
-
руемого
электропривода
,
определены
области
допу
-
стимых
ПН
и
ПРН
(
рисунок
3).
Так
,
технические
сбои
в
работе
оборудования
бу
-
дут
наблюдаться
при
следующих
величинах
ПН
:
–
магнитные
пускатели
—
U
п
50%;
–
регулируемый
электропривод
—
U
п
60%;
–
программируемые
контроллеры
—
U
п
70%;
–
микропроцессоры
—
U
п
65%;
–
реле
—
U
п
30%.
Сбои
в
работе
данных
устройств
при
ПН
будут
на
-
блюдаться
при
длительностях
провалов
:
–
магнитные
пускатели
—
t
п
40
мс
;
–
регулируемый
электропривод
—
t
п
100
мс
;
–
программируемые
контроллеры
—
t
п
240
мс
;
–
микропроцессоры
—
t
п
100
мс
;
–
реле
—
t
п
40
мс
.
Для
промышленных
электроприемников
,
имею
-
щих
в
своем
составе
выпрямительные
блоки
и
блоки
инверторов
,
границы
допустимых
значений
ПН
и
ПРН
представлены
на
рисунке
4 [14].
Следует
отметить
,
что
инверторы
имеют
большую
чувствительность
к
ПН
в
сравнении
с
выпрямителями
.
При
ПН
длитель
-
ностью
более
6–9
мс
и
величине
провала
более
20%
происходит
сбой
в
работе
выпрямителя
.
В
блоках
промышленного
технологического
оборудования
«
вы
-
прямитель
-
инвертор
»
при
ПН
более
15%
и
длитель
-
ности
более
3
мс
происходит
его
отключение
.
Для
оценки
возможности
бесперебойной
работы
персональных
компьютеров
в
условиях
существу
-
ющих
ПН
и
ПРН
разработаны
кривые
ITIC (
Совет
индустрии
информационных
технологий
) [15].
В
со
-
Рис
. 3.
График
допустимых
ПН
:
а
)
маг
-
нитные
пускатели
;
б
)
регулируемые
электроприводы
;
в
)
программируе
-
мые
контроллеры
;
г
)
реле
90
60
40
20
1
мс
1
с
10
с
t
,
мс
10
мс
100
мс
U
/
U
н
, %
80
60
40
20
0
100
200
300
400
t
,
мс
U
/
U
н
, %
(
а
)
(
б
)
(
в
)
(
г
)
Рис
. 2.
График
допустимых
ПН
для
микропроцессоров

53
Рис
. 5.
Области
допустимых
ПР
и
ПРН
для
персональ
-
ных
компьютеров
(
кривые
ITIC)
140
120
500
400
300
200
40
0
100
80
70
Напр
яжение
, %
Запрещенная
область
Область
без
прерываний
Область
надежной
работы
для
однофазных
потребителей
110
90
1
мкс
1
мс
3
мс
20
мс
0,5
с
10
с
Продолжительность
провалов
напряжения
ответствии
с
данными
кривыми
(
рисунок
5)
допуска
-
ются
ПРН
при
длительности
прерывания
,
не
превы
-
шающей
20
мс
.
Также
допускаются
ПН
величиной
до
10%
любой
длительности
,
до
20%
при
длительности
,
не
превышающей
10
с
,
и
до
30%
длительностью
ме
-
нее
0,5
с
.
При
оценке
надежности
работы
технологического
оборудования
промышленных
предприятий
в
усло
-
виях
возникновения
ПН
и
ПРН
необходимо
учиты
-
вать
величину
возможного
ущерба
от
данных
помех
.
Определение
ущербов
от
перерывов
электро
-
снабжения
необходимо
проводить
по
двум
видам
ущербов
:
основному
и
ущербу
внезапности
[16].
Основной
ущерб
связан
с
ущербом
,
возникающим
при
ПН
или
ПРН
в
электроснабжении
промышленных
предприятий
при
условии
сохранения
оборудования
,
технологического
процесса
и
отсутствия
брака
про
-
дукции
,
то
есть
обусловлен
ущербом
из
-
за
невыпол
-
нения
плана
по
выпуску
продукции
.
Ущерб
внезап
-
ности
связан
с
появлением
фактора
внезапности
,
в
результате
которого
могут
произойти
нарушения
технологического
процесса
,
поломка
оборудования
и
,
как
следствие
,
брак
продукции
.
Этот
ущерб
зави
-
сит
от
типа
потребителя
,
величины
недополученной
электроэнергии
,
наличия
у
потребителя
резервов
генерации
и
возможности
изменения
технологиче
-
ского
процесса
производства
.
Если
величина
резер
-
вов
потребителя
достаточна
,
чтобы
компенсировать
недовыработанную
продукцию
за
время
его
ограни
-
чения
по
энергии
,
то
недополученная
электроэнер
-
гия
за
это
время
компенсируется
системой
резерв
-
ного
электроснабжения
предприятия
,
тем
самым
обеспечивая
бесперебойность
технологического
процесса
.
В
работах
[14, 17]
приведены
значения
ущербов
от
низкого
качества
электрической
энергии
,
опреде
-
ленные
в
долях
от
общего
ежегодного
ущерба
,
кото
-
рые
составляют
:
–
при
провалах
и
кратковременных
прерывани
-
ях
напряжения
длительностью
менее
3
мин
—
57,7%;
–
при
перенапряжении
— 34,4%;
–
при
длительных
прерываниях
напряжения
дли
-
тельностью
более
3
мин
— 4,3%;
–
при
несимметрии
напряжения
— 2,7%;
–
при
несинусоидальности
напряжения
– 0,9%.
Как
видно
,
наибольший
ущерб
наблюдается
от
помех
в
виде
ПН
и
кратковременных
ПРН
,
в
то
же
время
сложность
современных
технологических
процессов
и
высокие
требования
к
поддержанию
их
стабильности
приводят
к
значительным
потерям
в
различных
отраслях
промышленности
,
что
нагляд
-
но
иллюстрируется
таблицей
2 [10, 18].
При
этом
не
-
обходимо
отметить
,
что
для
помех
в
виде
ПН
и
ПРН
стандарт
ГОСТ
32144-2014 [7]
требования
к
уровням
данных
помех
не
определяет
.
Представленная
информация
позволяет
конста
-
тировать
,
что
при
нормировании
показателей
КЭЭ
и
разработке
рекомендаций
по
его
повышению
необ
-
ходимо
уделять
внимание
показателям
,
определяю
-
щим
глубину
и
длительность
провалов
и
прерываний
напряжения
.
Табл
. 2.
Ущербы
от
перерывов
электроснабжения
в
некоторых
отраслях
промышленности
Отрасль
промышленности
/
Сфера
деятельности
Ущерб
,
евро
/
на
1
перерыв
Производство
полупроводников
3 800 000
Компьютерный
центр
750 000
Сталелитейное
производство
350 000
Стекольная
промышленность
250 000
Фармацевтическая
компания
1 700 000
МОНИТОРИНГ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ
КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
Для
решения
проблемы
повышения
КЭЭ
важ
-
ное
значение
отводится
его
контролю
и
мо
-
ниторингу
.
Основные
положения
по
организа
-
ции
и
проведению
контроля
и
мониторинга
КЭЭ
в
РФ
изложены
в
стандартах
ГОСТ
33073-2014,
ГОСТ
30804.4.7
и
ГОСТ
30804.4.30 [19–21].
В
работах
[5, 22]
показано
,
что
применяемые
в
на
-
стоящее
время
системы
мониторинга
могут
давать
большую
погрешность
при
измерении
КЭЭ
,
что
не
соответствует
условиям
функционирования
совре
-
менных
СЭС
.
Причинами
больших
погрешностей
являются
:
1)
дискретное
преобразование
Фурье
,
которое
при
-
меняется
при
цифровой
обработке
сигналов
,
что
дает
большую
точность
при
анализе
периодиче
-
ских
процессов
(
в
СЭС
промышленных
предпри
-
ятий
,
городов
и
особенно
электрического
транс
-
порта
изменения
токов
и
напряжений
не
являются
периодическими
,
поэтому
при
дискретизации
их
графиков
происходит
наложение
спектров
сосед
-
них
гармоник
друг
на
друга
,
наибольшие
погреш
-
ности
возникают
при
наличии
в
спектрах
анали
-
зируемых
сигналов
постоянной
составляющей
,
четных
гармоник
и
интергармоник
);
2)
погрешности
измерения
амплитуды
,
фазового
угла
и
времени
синхронизации
;
3)
погрешности
трансформаторов
тока
и
напряжения
.
№
6 (81) 2023

54
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рис
. 6.
Оценка
качества
электроэнергии
в
трехфазной
системе
промышленного
электроснабжения
Результаты
моделирования
Текущий
режим
1
2
3
4
5
4
10
4
2
4
1(
M
–1)
В
активных
системах
электроснабжения
потоки
мощности
могут
быть
не
только
однонаправленны
(
от
электростанций
к
потребителям
электроэнергии
),
но
и
двунаправленными
(
от
потребителей
в
распре
-
делительные
сети
),
особенно
при
наличии
источни
-
ков
распределенной
генерации
и
систем
накопления
электроэнергии
.
Существующие
системы
монито
-
ринга
в
таких
сетях
будут
давать
большие
погрешно
-
сти
в
измерениях
активной
и
реактивной
мощности
.
Проведенные
расчеты
[3]
показывают
,
что
ошибки
в
оценке
активной
мощности
могут
достигать
±290%,
а
реактивной
±130%
и
более
.
Для
решения
задач
мониторинга
КЭЭ
предлагает
-
ся
способ
анализа
качества
электроэнергии
в
трех
-
фазной
системе
промышленного
электроснабжения
,
представленный
на
рисунке
6 [23].
Данный
способ
позволяет
определить
источники
и
степень
искаже
-
ния
параметров
КЭЭ
и
выработать
управляющие
воздействия
на
СЭС
с
целью
повышения
КЭЭ
с
уче
-
том
составляющих
ущерба
.
Для
обеспечения
функционирования
предлагае
-
мого
способа
реализуется
предварительное
имита
-
ционное
моделирование
СЭС
,
целями
которого
яв
-
ляются
:
–
определение
режимов
функционирования
СЭС
промпредприятия
с
учетом
особенностей
режи
-
мов
работы
электроприемников
;
–
выявление
режимов
,
в
которых
возможны
суще
-
ственные
отклонения
показателей
КЭЭ
,
требую
-
щие
реализации
мероприятий
по
восстановле
-
нию
нормального
функционирования
СЭС
;
–
создание
базы
данных
форм
тока
и
напряжения
для
каждого
из
режимов
с
существенными
откло
-
нениями
параметров
КЭЭ
,
которые
характеризу
-
ют
степень
и
источник
искажающих
воздействий
.
На
основании
предварительного
имитационного
моделирования
формируется
база
данных
искажен
-
ных
сигналов
тока
и
напряжения
при
существенных
отклонениях
показателей
КЭ
в
различных
режимах
функционирования
СЭС
предприятия
.
Результаты
имитационного
моделирования
вносятся
в
память
блока
хранения
5 (
рисунок
6)
для
последующего
вы
-
бора
совокупных
искаженных
токов
и
напряжений
в
определенном
режиме
работы
СЭС
.
В
модуле
1 (
рисунок
6)
выполняется
аналого
-
цифровое
преобразование
мгновенных
значений
фазных
токов
и
напряжений
в
точках
присоединения
(
модуль
сбора
данных
).
В
модуле
2
происходит
трех
-
мерное
преобразование
мгновенных
значений
фаз
-
ных
токов
и
напряжений
в
пространственный
вектор
.
Мгновенные
значения
комплексного
вектора
из
мо
-
дуля
2
поступают
в
модуль
нормировки
3.
В
модуле
3
в
скользящем
окне
данных
,
включающем
,
например
,
N
комплексных
отсчетов
(
мгновенных
значений
)
про
-
странственного
вектора
,
производится
их
нормиров
-
ка
(
приведение
к
нормированному
виду
)
по
энергии
.
Для
этого
вычисляется
энергия
совокупности
N
ком
-
плексных
значений
пространственного
вектора
в
те
-
кущем
скользящем
окне
,
и
каждое
из
комплексных
мгновенных
значений
пространственного
вектора
этого
скользящего
окна
нормируется
к
рассчитанной
энергии
.
Нормированные
совокупности
комплексных
мгно
-
венных
значений
пространственного
вектора
из
мо
-
дуля
3
поступают
в
блок
4
распознавания
.
Блок
4
решает
задачу
распознавания
,
какой
из
комплекс
-
ных
дискретных
сигналов
поступил
на
его
вход
.
При
решении
задачи
распознавания
используется
блок
5
хранения
результатов
имитационного
моделирова
-
ния
.
В
соответствии
с
текущим
режимом
функциони
-
рования
СЭС
блок
5
подает
на
вторые
входы
моду
-
лей
сравнения
4
10
…4
1(
M
–1)
комплексные
дискретные
сигналы
,
соответствующие
текущему
режиму
функ
-
ционирования
и
характеризующие
возможные
ис
-
кажения
параметров
КЭЭ
данной
СЭС
.
На
первые
входы
модулей
сравнения
поступает
комплексный
дискретный
сигнал
с
выхода
модуля
3.
В
модулях
сравнения
4
10
…4
1(
M
–1)
блока
4
реализуется
сравнение
комплексного
дискретного
сигнала
,
поступившего
на
вход
блока
4
с
каждым
из
хранящихся
комплексных
дискретных
сигналов
в
блоке
5,
соответствующих
те
-
кущему
режиму
СЭС
.
По
результатам
сравнения
мо
-
дулем
4
2
блока
4
принимается
решение
о
том
,
какой
комплексный
дискретный
сигнал
действует
на
входе
и
,
соответственно
,
какой
вариант
отклонений
пара
-
метров
КЭЭ
характерен
для
текущего
режима
СЭС
.
Поскольку
при
имитационном
моделировании
для
текущего
режима
функционирования
СЭС
и
вариан
-
та
отклонений
параметров
КЭЭ
задается
степень
и
источник
трехфазных
искажений
токов
и
напряже
-
ний
,
то
на
основе
реализации
процедуры
распозна
-
вания
можно
выявить
степень
и
источник
искажений
токов
и
напряжений
в
трехфазной
СЭС
.
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО
ПОВЫШЕНИЮ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СОВМЕСТИМОСТИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Методики
расчетов
отдельных
видов
электромаг
-
нитных
помех
представлены
в
работах
[8–10].
В
ос
-
новном
методики
позволяют
провести
оценку
мед
-
ленных
изменений
,
колебаний
,
несинусоидальности
и
несимметрии
напряжения
.
С
учетом
вероятност
-
ного
характера
возникновения
помех
для
их
расчета
и
прогнозирования
перспективно
применение
ими
-
тационного
моделирования
СЭС
с
использованием
программных
продуктов
PSCAD
и
MatLab Simulink.

55
Средства
имитационного
моделирования
позволяют
провести
исследования
влияния
любых
видов
по
-
мех
на
промышленные
электроприемники
не
только
в
нормальных
режимах
работы
,
но
и
при
переходных
процессах
.
Для
систем
промышленного
электроснабжения
обеспечить
электромагнитную
совместимость
техно
-
логического
оборудования
можно
с
использованием
схемных
решений
,
а
также
применением
в
сети
спе
-
циальных
устройств
.
Схемные
пути
обеспечения
электромагнитной
совместимости
являются
наиболее
простыми
и
эко
-
номичными
.
Можно
определить
следующие
техниче
-
ские
решения
:
–
разделение
питания
электроприемников
и
тех
-
нологического
оборудования
,
создающих
ЭМП
и
чувствительных
к
данным
видам
помех
;
–
применение
блокировок
для
ограничения
одно
-
временной
работы
крупных
потребителей
,
созда
-
ющих
ПН
;
–
увеличение
мощности
источников
питания
систем
электроснабжения
;
–
применение
активных
выпрямителей
с
широтно
-
импульсной
модуляцией
.
В
промышленных
системах
электроснабжения
могут
быть
использованы
специальные
средства
,
включающие
,
например
,
применение
[14–16]:
–
источников
бесперебойного
питания
;
–
пассивных
и
активных
фильтров
гармоник
;
–
статических
тиристорных
компенсаторов
;
–
трансформаторно
-
тиристорных
регуляторов
на
-
пряжения
;
–
устройств
плавного
пуска
электродвигателей
.
ВЫВОДЫ
1.
В
связи
с
переводом
электроэнергетики
на
техно
-
логии
интеллектуальных
систем
в
промышленных
системах
электроснабжения
может
наблюдаться
тенденция
к
увеличению
ущербов
от
ПН
и
ПРН
,
что
должно
быть
учтено
при
рассмотрении
вопро
-
сов
помехоустойчивости
промышленного
обору
-
дования
к
воздействию
такого
рода
помех
.
2.
Для
повышения
устойчивости
технологическо
-
го
оборудования
к
ПН
и
ПРН
,
а
также
снижения
ущербов
,
необходимо
введение
нормирования
ПН
и
ПРН
в
составе
стандарта
ГОСТ
32144–2013
и
их
учета
при
рассмотрении
вопросов
проекти
-
рования
и
эксплуатации
систем
промышленного
электроснабжения
.
3.
В
системах
электроснабжения
промышленных
предприятий
для
снижения
влияния
электропри
-
емников
,
создающих
помехи
в
виде
ПН
и
ПРН
на
других
промышленных
потребителей
,
следу
-
ет
разделять
их
питание
или
внедрять
в
систему
электроснабжения
ответственных
электроприем
-
ников
источники
бесперебойного
питания
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Добрусин
Л
.
А
.
Проблемы
качества
электроэнергии
и
электроснаб
-
жения
в
России
//
Энергоэксперт
,
2008,
№
4(9).
С
. 30–35.
2.
Дед
А
.
В
.,
Сикорский
С
.
П
.,
Смир
-
нов
П
.
С
.
Результаты
измерений
показателей
качества
электро
-
энергии
в
системах
электроснабже
-
ния
предприятий
и
организаций
//
Омский
научный
вестник
, 2018,
№
2(158).
С
. 60–63.
3.
Куликов
А
.
Л
.,
Илюшин
П
.
В
.,
Ва
-
гин
Г
.
Я
.,
Севостьянов
А
.
А
.
О
кор
-
ректировке
требований
к
точности
цифровой
обработки
сигналов
токов
и
напряжений
в
активных
системах
промышленного
элек
-
троснабжения
//
Известия
РАН
.
Энергетика
, 2021,
№
1.
С
. 26–38.
4.
Николаев
А
.
А
.,
Корнилов
Г
.
П
.,
Храмшин
Т
.
Р
.
Экспериментальные
исследования
электромагнитной
совместимости
электроприводов
в
системе
электроснабжения
ме
-
таллургического
предприятия
//
Вестник
Магнитогорского
государ
-
ственного
технического
универси
-
тета
им
.
Г
.
И
.
Носова
, 2016,
т
. 14,
№
4.
С
. 96–105.
5.
Рибейро
П
.
Ф
.,
Дуке
К
.
А
.,
да
Сил
-
вейра
П
.
М
.,
Серкейра
А
.
С
.
Об
-
работка
сигналов
в
интеллекту
-
альных
сетях
энергосистем
.
М
.:
Техносфера
, 2020. 496
с
.
6.
Овсянников
А
.
Г
.,
Борисов
Р
.
К
.
Электромагнитная
совместимость
в
электроэнергетике
.
Новосибирск
:
НГТУ
, 2017. 196
с
.
7.
ГОСТ
32144-2013.
Электрическая
энергия
.
Совместимость
техниче
-
ских
средств
электромагнитная
.
Нормы
качества
электрической
энергии
в
системах
электроснаб
-
жения
общего
назначения
. URL:
https://docs.cntd.ru/document/
1200104301.
8.
Вагин
Г
.
Я
.,
Лоскутов
А
.
Б
.,
Сево
-
стьянов
А
.
А
.
Электромагнитная
совместимость
в
электроэнергети
-
ке
.
М
.:
Академия
, 2010. 223
с
.
9.
Борисов
Б
.
П
.,
Вагин
Г
.
Я
.
Электро
-
снабжение
электротехнологиче
-
ских
установок
.
Киев
:
Наукова
думка
, 1985. 245
с
.
10.
Жежеленко
И
.
В
.,
Шидловский
А
.
К
.,
Пивняк
Г
.
Г
.
и
др
.
Электромагнит
-
ная
совместимость
потребителей
.
М
.:
Машиностроение
, 2012. 351
с
.
11.
Шидловский
А
.
К
.,
Борисов
Б
.
П
.,
Вагин
Г
.
Я
.
и
др
.
Электромагнитная
совместимость
электроприемни
-
ков
промышленных
предприятий
.
Киев
:
Наукова
думка
, 1992. 236
с
.
12.
Овсянников
А
.
Г
.,
Борисов
Р
.
К
.
Электромагнитная
совместимость
в
электроэнергетике
.
Новосибирск
:
НГТУ
, 2017. 196
с
.
13.
IEEE 446-1995. Recommended
Practice for Emergency and Stand-
by Power Systems for Industrial
and Commercial Applications. URL:
https://ieeexplore.ieee.org/docu-
ment/653237.
14.
Менсон
Дж
.
Решение
проблем
ка
-
чества
электроэнергии
дешевле
,
чем
терпеть
от
нее
убытки
//
Энер
-
гоэксперт
, 2008,
№
4(9).
С
. 49–52.
15.
Справочник
по
электроснабжению
и
электрооборудованию
промыш
-
ленных
предприятий
и
обществен
-
ных
зданий
.
Под
общ
.
ред
.
С
.
И
.
Га
-
мазина
,
Б
.
И
.
Кудрина
,
С
.
А
.
Цы
-
рука
.
М
.:
Издательский
дом
МЭИ
,
2010. 744
с
.
16.
Савина
Н
.
В
.
Надежность
электро
-
энергетических
систем
.
Уч
.
посо
-
бие
.
Благовещенск
:
Амурский
гос
.
ун
-
т
, 2014. 194
с
.
17.
Вагин
Г
.
Я
.,
Куликов
А
.
Л
.
Качество
электрической
энергии
в
систе
-
мах
электроснабжения
.
Анализ
состояния
методов
нормирования
и
контроля
//
Электрические
стан
-
ции
, 2019,
№
6(1055).
С
. 54–59.
№
6 (81) 2023

56
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
18.
Руководство
по
устройству
электро
-
установок
, 2009. Schneider Electric.
500
с
.
19.
ГОСТ
30804.4.7-2013.
Совмести
-
мость
технических
средств
элек
-
тромагнитная
.
Общее
руководство
по
средствам
измерений
и
изме
-
рениям
гармоник
и
интергармо
-
ник
для
систем
электроснабжения
и
подключаемых
к
ним
техниче
-
ских
средств
. URL: https://docs.
cntd.ru/document/1200103652.
20.
ГОСТ
30804.4.30-2013.
Электри
-
ческая
энергия
.
Совместимость
технических
средств
электромаг
-
нитная
.
Методы
измерений
пока
-
зателей
качества
электрической
энергии
. URL: https://docs.cntd.ru/
document/1200104665.
21.
ГОСТ
33073-2014.
Электриче
-
ская
энергия
.
Совместимость
технических
средств
электромаг
-
нитная
.
Контроль
и
мониторинг
качества
электрической
энер
-
гии
в
системах
электроснабже
-
ния
общего
назначения
. URL:
https://docs.cntd.ru/document/
1200115349.
22.
Цапенко
А
.
В
.,
Тухас
В
.
А
.
Системы
мониторинга
качества
электриче
-
ской
энергии
.
Проблемы
и
пути
контроля
и
управления
качеством
электроэнергии
в
электроэнерге
-
тике
//
Энергонадзор
и
энергобезо
-
пасность
, 2007,
№
2.
С
. 30–39.
23.
Куликов
А
.
Л
.,
Илюшин
П
.
В
.,
Ва
-
гин
Г
.
Я
.,
Севостьянов
А
.
А
.
Способ
ана
-
лиза
качества
электрической
энергии
в
трехфазной
системе
промышлен
-
ного
электроснабжения
.
Патент
RU
2741269C1. URL: https://yandex.ru/
patents/doc/RU2741269C1_20210122.
REFERENCES
1. Dobrusin L.A. Problems of the en-
ergy quality and the power supply in
Russia //
Energoekspert
[Power ex-
pert], 2008, no. 4(9), pp. 30-35. (In
Russian)
2. Ded A.V., Sikorskiy S.P., Smirnov P.S.
Measurement results of the energy
quality indices in power supply sys-
tems of enterprises and companies //
Omskiy nauchniy vestnik
[Omsk
scienti
fi
c bulletin], 2018, no. 2(158),
pp. 60-63. (In Russian)
3. Kulikov A.L., Ilyushin P.V., Va-
gin G. Ya., Sevastyanov A.A. On
correction of requirements to digital
processing of current and voltage
signals in active industrial power
supply systems //
Izvestiya RAN.
Energetika
[RAN bulletin. Power in-
dustry], 2021, no. 1, pp. 26-38. (In
Russian)
4. Nikolayev A.A., Kornilov G.P., Khram-
shin T.R. Experimental research
of electromagnetic compatibility of
wires in the power supply system
of an iron and steel works //
Vestnik
Magnitogorskogo gosudarstvennogo
tekhnicheskogo universiteta imeni
G.I.Nosova
[Bulletin of Nosov Mag-
nitogorsk State Technical University],
2016, vol. 14, no. 4, pp. 96-105. (In
Russian)
5. Ribeiro P.F., Duke K.A., da Silvei-
ra P.M., Serkeira A.S. Signal pro-
cessing in smart grids. Moscow,
Tekhnosfera Publ., 2020. 496 p. (In
Russian)
6. Ovsyannikov A.G., Borisov R.K.
Electromagnetic compatibility in the
power industry. Novosibirsk, Novo-
sibirsk State Technical University
NETI, 2017. 196 p. (In Russian)
7. State standard GOST 32144-2013.
Electric energy. Electromagnetic
compatibility of technical equipment.
Power quality limits in the public pow-
er supply systems. URL: https://docs.
cntd.ru/document/1200104301.
8. Vagin G.Ya., Loskutov A.B., Sevostiya-
nov A.A. Electromagnetic compat-
ibility in the power industry. Moscow,
Akademiya Publ., 2010. 223 p. (In
Russian)
9. Borisov B.P., Vagin G.Ya. Power
supply of electromechanical instal-
lations. Kiev: Naukova dumka Publ.,
1985. 245 p.
10. Zhezhelenko I.V., Shidlovskiy A.K.,
Pivnyak G.G. and others. Electro-
magnetic compatibility of customers.
Moscow,
Mashinostroyeniye
[Ma-
chine building], 2012. 351 p. (In Rus-
sian)
11. Shidlovskiy A.K., Borisov B.P., Va-
gin G.Ya. and others. Electromagnet-
ic compatibility of current consumers
of industrial enterprises. Kiev, Nau-
kova dumka Publ., 1992. 236 p.
12.
Ovsyannikov A.G., Borisov R.K.
Electromagnetic compatibility in the
power industry. Novosibirsk, Novo-
sibirsk State Technical University
NETI, 2017. 196 p. (In Russian)
13.
IEEE 446-1995. Recommended
Practice for Emergency and Stand-
by Power Systems for Industrial
and Commercial Applications. URL:
https://ieeexplore.ieee.org/docu-
ment/653237.
14. Menson J. To solve the energy qual-
ity problems is cheaper than to bear
losses //
Energoekspert
[Power ex-
pert], 2008, no. 4(9), pp. 49-52. (In
Russian)
15. The guide on power supply and the
electrical equipment of industrial en-
terprises and public buildings. Under
general editorship of Gamazin S.I.,
Kudrin B.I., Tsyruk S.A. Moscow,
MPEI Publishing house, 2010.
744 p. (In Russian)
16. Savina N.V. Reliability of power sys-
tems. Student's guide. Blagovesh-
chensk, Amur State University, 2014.
194 p. (In Russian)
17. Vagin G.Ya., Kulikov A.L. Energy
quality in power supply systems.
Study of normalization and monitor-
ing methods //
Elektricheskiye stan-
tsii
[Power plants], 2019, no. 6(1055),
pp. 54-59. (In Russian)
18.
Electric installation design guide,
2009. Schneider Electric. 500 p. (In
Russian)
19. State standard GOST 30804.4.7-2013.
Electromagnetic compatibility of
technical equipment. General guide
on harmonics and interharmonics
measuring instruments and mea-
surement, for power supply sys-
tems and equipment connected
thereto. URL: https://docs.cntd.ru/
document/1200103652.
20. State standard GOST 30804.4.30-
2013. Electric energy. Electromag-
netic compatibility of technical equip-
ment. Power quality measurement
methods. URL: https://docs.cntd.ru/
document/1200104665.
21. State standard GOST 33073-2014.
Electric energy. Electromagnetic
compatibility of technical equipment.
Control and monitoring of electric
power quality in the public power
supply systems. URL: https://docs.
cntd.ru/document/1200115349.
22. Tsapenko A.V., Tukhas V.A. Energy
quality monitoring systems. Prob-
lems and methods of energy quality
monitoring and control in the power
industry //
Energonadzor i energo-
bezopasnost'
[Electrical inspection
and electrical safety], 2007, no. 2,
pp. 30-39. (In Russian)
23.
Kulikov A.L., Ilyushin P.V., Va-
gin G.Ya., Sevostiyanov A.A. A me-
thod of energy quality studying in
a three-phase industrial power sup-
ply system. Patent RU 2741269C1.
URL: https://yandex.ru/patents/doc/
RU2741269C1_20210122.
Оригинал статьи: О влиянии провалов и прерываний напряжения на режимы функционирования промышленных систем электроснабжения
Около 90% искажений показателей качества электрической энергии является следствием функционирования электроприемников промышленных предприятий. Это связано с тем, что существующие подходы к нормированию, мониторингу и управлению качеством электроэнергии не учитывают специфику возникающих ущербов в различных отраслях промышленности и дают большие погрешности. При этом в промышленной системе электроснабжения возникают не только медленные изменения напряжения и гармонические искажения, но и помехи, вызванные провалами и прерываниями напряжения, что может стать причиной сбоя технологического оборудования. Однако несмотря на возможный ущерб, в стандартах, касающихся качества электроэнергии, провалы и прерывания напряжения не нормируются и часто не учитываются при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения. В статье на основании проведенного анализа значений показателей качества электрической энергии показана необходимость учета провалов и прерываний напряжения при эксплуатации промышленных систем электроснабжения.
Севостьянов А.А., к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева
Качество электроэнергии (КЭЭ) оказывает большое влияние на эффективность функционирования всех отраслей экономики России. Результаты исследований КЭЭ [1–4] показывают, что в ряде регионов страны качество электроэнергии не соответствует действующим нормам. Решение вопросов построения промышленных систем электроснабжения (СЭС) с учетом факторов, влияющих на КЭЭ, является определяющим для обеспечения эффективной и безаварийной работы данных систем электроснабжения [1].
Вопрос повышения КЭЭ, как правило, является актуальным для сетей, к которым присоединено большое количество потребителей, имеющих резкопеременный, несимметричный и несинусоидальный режим работы.
Возникающие в сетях помехи носят случайный характер искажения напряжения и при воздействии на технологическое оборудование промышленных предприятий приводят к нарушению технологического цикла производства, вызванного неправильной работой систем автоматики, ошибкой определения режимных параметров электрической сети и нарушением режимов работы производственного оборудования.
В системах электроснабжения около 60% брака и нарушений технологического режима работы промышленных электроприемников связано с низким качеством электроэнергии, в том числе и с нарушениями, вызванными провалами (ПН) и прерываниями напряжения (ПРН). Указанные помехи могут быть причинами сбоев в системах управления и защиты электроприемников, ошибок в работе микропроцессорной техники, приводить к повреждению оборудования и возникновению нештатных режимов работы основного оборудования промышленных объектов. Сложность современных технологических процессов и высокие требования к поддержанию их стабильности при возникновении в сети ПН и ПРН приводят к появлению ущербов. В таблице 1 представлены значения ущербов от кратковременных перерывов электроснабжения в сфере информационных технологий [3, 5].

Причинами больших ущербов от низкого качества электроэнергии [1, 6] являются:
- усложнение структуры и функций электроэнергетических систем, приводящих к более тяжелым последствиям при отказе одного из элементов системы;
- сложность современных технологических процессов и высокие требования к поддержанию их стабильности;
- отсутствие у потребителей электроэнергии средств мониторинга показателей КЭЭ;
- несовершенство нормативно-технической документации по нормированию, мониторингу и управлению качеством электроэнергии.
Несмотря на возможный ущерб, в стандартах на качество электрической энергии показатели, характеризующие ПН и ПРН, не нормируются и часто не учитываются при проектировании систем электроснабжения. Переход к интеллектуальным сетям будет способствовать еще большему числу сбоев в режимах работы технологического оборудования от данных помех, что связано с восприимчивостью цифровых элементов сетей к такого вида возмущениям.
УРОВНИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Результаты исследований качества электрической энергии [2] показывают, что для промышленных объектов в среднем в 30% случаев контроля показателей качества показатели не соответствуют требованиям ГОСТ 32144-2013 [7], при этом:
- отрицательные и положительные отклонения напряжения не соответствуют требования для 18% измерений при контроле показателей КЭЭ;
- суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения — 0,5% измерений;
- коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения — 5% измерений;
- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности — 0,5% измерений;
- коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности — 6% измерений.
В большинстве случаев технические проблемы, связанные с функционированием электроприемников при нарушении качества электрической энергии в РФ, вызваны:
- гармониками напряжения — в 18% случаев сбоя технологического оборудования;
- провалами или прерываниями напряжения — в 52% сбоев;
- другими видами помех и воздействий — в 30% сбоев.
В странах Европейского союза основными причинами сбоя в работе технологического оборудования являются:
- гармонические составляющие — 5,4%;
- провалы напряжения — 23,6%;
- импульсные напряжения — 29%;
- другие виды помех и воздействий — 42%.
Для США статистика отказов в работе оборудования составляет:
- от провалов и импульсных напряжений — 48%;
- от гармонических искажений — 22%;
- другие виды помех и воздействий — 30%.
На основании представленных данных отметим, что наиболее частыми причинами сбоев в работе промышленного технологического оборудования и систем автоматики являются возникающие в сети помехи в виде ПН и ПРН. Данные помехи возникают в нормальном режиме работы промышленного оборудования, к которому относится технологическое оборудование предприятий: дуговые сталеплавильные печи (ДСП), различные прокатные станы, сварочные машины, электроприемники с двигательной нагрузкой. На рисунке 1 представлен график ПН, характеризующий форму провала напряжения, полученный при проведении измерений на одном из фидеров 0,4 кВ сварочного участка промышленного предприятия.

Рассмотрим уровни электромагнитных помех (ЭМП), в частности ПН, вносимые в сеть промышленными электроприемниками [8–10].
При своей работе ДСП создают нерегулярные ПН с частотой до 1 Гц и регулярные ПН частотой до 10 Гц.
Регулярные ПН при работе ДСП имеют глубину провала, как правило, не превышающую 5% от величины питающего напряжения. Нерегулярные ПН характеризуются глубиной провала, доходящей в отдельных случаях до 100%. Причинами нерегулярных ПН являются неблагоприятные условия зажигания дуг в период плавки металла, неустойчивое их горение, эксплуатационные короткие замыкания электродов с шихтой в момент пуска печи и при обвалах шихты.
Сварочные машины при своей работе создают в сети ПН, величина которых зависит от мощности машины и источника питания [11]. Машины рельефной и точечной сварки создают ПН глубиной до 7%. До 19% ПН создают при своей работе стыковые и многоточечные машины. При этом длительность провалов напряжения для точечных, рельефных, многоточечных и шовных сварочных машин составляет 0,02–1,0 с, стыковых сварочных машин — 0,2–20 с.
Величина ПН, создаваемая прокатными станами, зависит от их типа. В качестве приводов прокатных станов используются синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока. Прокатные станы с приводами от синхронных и асинхронных электродвигателей являются источниками колебаний и ПН. Так блюминги и слябинги в сетях 6–10 кВ создают ПН глубиной до 20% при длительности 1–5 с и средней частотой 20–40 провалов в минуту. Листовые станы горячей прокатки создают ПН величиной от 2% до 10% длительностью 1–5 с и средней частотой от 2 до 20 в мин. Величина ПН при работе стана холодной прокатки составляет от 2% до 20% с длительностью 2–20 с и средней частотой провалов от 4 до 20 в час.
Прессы и автоматические прессовые линии при своей работе создают ПН, составляющие 1–5% с частотой следования 0,17–0,2 Гц.
Транспортеры, вентиляторы и компрессоры в момент пуска оборудования являются источниками провалов, глубина которых не превышает:
- у транспортеров и конвейеров — 1,2%;
- вентиляторов — 3–5%;
- компрессоров — 4–6%.
Асинхронные и синхронные двигатели создают ПН глубиной от 1% до 20% и длительностью от 3 с до 10 с. Частота ПН зависит от режимов работы электродвигателей. Наибольшая частота наблюдается при повторно-кратковременном режиме работы оборудования.
ВЛИЯНИЕ ПРОВАЛОВ И ПРЕРЫВАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКИ
Уровень влияния ПН и ПРН на промышленные электроприемники зависит от факторов, определяющих глубину ПН, длительность провала и частоту появления ПН. При этом наиболее чувствительными к данным видам помех являются системы управления и защиты промышленных электроприемников [9, 10, 12], построенных на базе микропроцессорной техники. На рисунке 2 показана область критичных ПН и ПРН, вызывающих сбой в работе микропроцессорных систем управления [13].
Рис. 2. График допустимых ПН для микропроцессоров Рис. 3. График допустимых ПН: а) магнитные пускатели; б) регулируемые электроприводы; в) программируемые контроллеры; г) реле
Для систем автоматики, включающих в свою структуру управляющие реле, магнитные пускатели, программируемые контроллеры и элементы регулируемого электропривода, определены области допустимых ПН и ПРН (рисунок 3).
Так, технические сбои в работе оборудования будут наблюдаться при следующих величинах ПН:
- магнитные пускатели — ΔUn ≥ 50%;
- регулируемый электропривод — ΔUn ≥ 60%;
- программируемые контроллеры — ΔUn ≥ 70%;
- микропроцессоры — ΔUn ≥ 65%;
- реле — ΔUn ≥ 30%.
Сбои в работе данных устройств при ПН будут наблюдаться при длительностях провалов:
- магнитные пускатели — Δtn ≥ 40 мс;
- регулируемый электропривод — Δtn ≥ 100 мс;
- программируемые контроллеры — Δtn ≥ 240 мс;
- микропроцессоры — Δtn ≥ 100 мс;
- реле — Δtn ≥ 40 мс.
Для промышленных электроприемников, имеющих в своем составе выпрямительные блоки и блоки инверторов, границы допустимых значений ПН и ПРН представлены на рисунке 4 [14]. Следует отметить, что инверторы имеют большую чувствительность к ПН в сравнении с выпрямителями. При ПН длительностью более 6–9 мс и величине провала более 20% происходит сбой в работе выпрямителя. В блоках промышленного технологического оборудования «выпрямитель-инвертор» при ПН более 15% и длительности более 3 мс происходит его отключение.

Для оценки возможности бесперебойной работы персональных компьютеров в условиях существующих ПН и ПРН разработаны кривые ITIC (Совет индустрии информационных технологий) [15]. В соответствии с данными кривыми (рисунок 5) допускаются ПРН при длительности прерывания, не превышающей 20 мс. Также допускаются ПН величиной до 10% любой длительности, до 20% при длительности, не превышающей 10 с, и до 30% длительностью менее 0,5 с.

При оценке надежности работы технологического оборудования промышленных предприятий в условиях возникновения ПН и ПРН необходимо учитывать величину возможного ущерба от данных помех.
Определение ущербов от перерывов электроснабжения необходимо проводить по двум видам ущербов: основному и ущербу внезапности [16].
Основной ущерб связан с ущербом, возникающим при ПН или ПРН в электроснабжении промышленных предприятий при условии сохранения оборудования, технологического процесса и отсутствия брака продукции, то есть обусловлен ущербом из-за невыполнения плана по выпуску продукции. Ущерб внезапности связан с появлением фактора внезапности, в результате которого могут произойти нарушения технологического процесса, поломка оборудования и, как следствие, брак продукции. Этот ущерб зависит от типа потребителя, величины недополученной электроэнергии, наличия у потребителя резервов генерации и возможности изменения технологического процесса производства. Если величина резервов потребителя достаточна, чтобы компенсировать недовыработанную продукцию за время его ограничения по энергии, то недополученная электроэнергия за это время компенсируется системой резервного электроснабжения предприятия, тем самым обеспечивая бесперебойность технологического процесса.
В работах [14, 17] приведены значения ущербов от низкого качества электрической энергии, определенные в долях от общего ежегодного ущерба, которые составляют:
- при провалах и кратковременных прерываниях напряжения длительностью менее 3 мин — 57,7%;
- при перенапряжении — 34,4%;
- при длительных прерываниях напряжения длительностью более 3 мин — 4,3%;
- при несимметрии напряжения — 2,7%;
- при несинусоидальности напряжения — 0,9%.
Как видно, наибольший ущерб наблюдается от помех в виде ПН и кратковременных ПРН, в то же время сложность современных технологических процессов и высокие требования к поддержанию их стабильности приводят к значительным потерям в различных отраслях промышленности, что наглядно иллюстрируется таблицей 2 [10, 18]. При этом необходимо отметить, что для помех в виде ПН и ПРН стандарт ГОСТ 32144-2014 [7] требования к уровням данных помех не определяет.

Представленная информация позволяет констатировать, что при нормировании показателей КЭЭ и разработке рекомендаций по его повышению необходимо уделять внимание показателям, определяющим глубину и длительность провалов и прерываний напряжения.
МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Для решения проблемы повышения КЭЭ важное значение отводится его контролю и мониторингу. Основные положения по организации и проведению контроля и мониторинга КЭЭ в РФ изложены в стандартах ГОСТ 33073-2014, ГОСТ 30804.4.7 и ГОСТ 30804.4.30 [19–21].
В работах [5, 22] показано, что применяемые в настоящее время системы мониторинга могут давать большую погрешность при измерении КЭЭ, что не соответствует условиям функционирования современных СЭС.
Причинами больших погрешностей являются:
1) дискретное преобразование Фурье, которое применяется при цифровой обработке сигналов, что дает большую точность при анализе периодических процессов (в СЭС промышленных предприятий, городов и особенно электрического транспорта изменения токов и напряжений не являются периодическими, поэтому при дискретизации их графиков происходит наложение спектров соседних гармоник друг на друга, наибольшие погрешности возникают при наличии в спектрах анализируемых сигналов постоянной составляющей, четных гармоник и интергармоник);
2) погрешности измерения амплитуды, фазового угла и времени синхронизации;
3) погрешности трансформаторов тока и напряжения.
В активных системах электроснабжения потоки мощности могут быть не только однонаправленны (от электростанций к потребителям электроэнергии), но и двунаправленными (от потребителей в распределительные сети), особенно при наличии источников распределенной генерации и систем накопления электроэнергии. Существующие системы мониторинга в таких сетях будут давать большие погрешности в измерениях активной и реактивной мощности. Проведенные расчеты [3] показывают, что ошибки в оценке активной мощности могут достигать ±290%, а реактивной ±130% и более.
Для решения задач мониторинга КЭЭ предлагается способ анализа качества электроэнергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, представленный на рисунке 6 [23]. Данный способ позволяет определить источники и степень искажения параметров КЭЭ и выработать управляющие воздействия на СЭС с целью повышения КЭЭ с учетом составляющих ущерба.

Для обеспечения функционирования предлагаемого способа реализуется предварительное имитационное моделирование СЭС, целями которого являются:
- определение режимов функционирования СЭС промпредприятия с учетом особенностей режимов работы электроприемников;
- выявление режимов, в которых возможны существенные отклонения показателей КЭЭ, требующие реализации мероприятий по восстановлению нормального функционирования СЭС;
- создание базы данных форм тока и напряжения для каждого из режимов с существенными отклонениями параметров КЭЭ, которые характеризуют степень и источник искажающих воздействий.
На основании предварительного имитационного моделирования формируется база данных искаженных сигналов тока и напряжения при существенных отклонениях показателей КЭ в различных режимах функционирования СЭС предприятия. Результаты имитационного моделирования вносятся в память блока хранения 5 (рисунок 6) для последующего выбора совокупных искаженных токов и напряжений в определенном режиме работы СЭС.
В модуле 1 (рисунок 6) выполняется аналогоцифровое преобразование мгновенных значений фазных токов и напряжений в точках присоединения (модуль сбора данных). В модуле 2 происходит трехмерное преобразование мгновенных значений фазных токов и напряжений в пространственный вектор. Мгновенные значения комплексного вектора из модуля 2 поступают в модуль нормировки 3. В модуле 3 в скользящем окне данных, включающем, например, N комплексных отсчетов (мгновенных значений) пространственного вектора, производится их нормировка (приведение к нормированному виду) по энергии. Для этого вычисляется энергия совокупности N комплексных значений пространственного вектора в текущем скользящем окне, и каждое из комплексных мгновенных значений пространственного вектора этого скользящего окна нормируется к рассчитанной энергии.
Нормированные совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора из модуля 3 поступают в блок 4 распознавания. Блок 4 решает задачу распознавания, какой из комплексных дискретных сигналов поступил на его вход. При решении задачи распознавания используется блок 5 хранения результатов имитационного моделирования. В соответствии с текущим режимом функционирования СЭС блок 5 подает на вторые входы модулей сравнения 410…41(M–1) комплексные дискретные сигналы, соответствующие текущему режиму функционирования и характеризующие возможные искажения параметров КЭЭ данной СЭС. На первые входы модулей сравнения поступает комплексный дискретный сигнал с выхода модуля 3. В модулях сравнения 410…41(M–1) блока 4 реализуется сравнение комплексного дискретного сигнала, поступившего на вход блока 4 с каждым из хранящихся комплексных дискретных сигналов в блоке 5, соответствующих текущему режиму СЭС. По результатам сравнения модулем 42 блока 4 принимается решение о том, какой комплексный дискретный сигнал действует на входе и, соответственно, какой вариант отклонений параметров КЭЭ характерен для текущего режима СЭС.
Поскольку при имитационном моделировании для текущего режима функционирования СЭС и варианта отклонений параметров КЭЭ задается степень и источник трехфазных искажений токов и напряжений, то на основе реализации процедуры распознавания можно выявить степень и источник искажений токов и напряжений в трехфазной СЭС.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Методики расчетов отдельных видов электромагнитных помех представлены в работах [8–10]. В основном методики позволяют провести оценку медленных изменений, колебаний, несинусоидальности и несимметрии напряжения. С учетом вероятностного характера возникновения помех для их расчета и прогнозирования перспективно применение имитационного моделирования СЭС с использованием программных продуктов PSCAD и MatLab Simulink.
Средства имитационного моделирования позволяют провести исследования влияния любых видов помех на промышленные электроприемники не только в нормальных режимах работы, но и при переходных процессах.
Для систем промышленного электроснабжения обеспечить электромагнитную совместимость технологического оборудования можно с использованием схемных решений, а также применением в сети специальных устройств.
Схемные пути обеспечения электромагнитной совместимости являются наиболее простыми и экономичными. Можно определить следующие технические решения:
- разделение питания электроприемников и технологического оборудования, создающих ЭМП и чувствительных к данным видам помех;
- применение блокировок для ограничения одновременной работы крупных потребителей, создающих ПН;
- увеличение мощности источников питания систем электроснабжения;
- применение активных выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией.
В промышленных системах электроснабжения могут быть использованы специальные средства, включающие, например, применение [14–16]:
- источников бесперебойного питания;
- пассивных и активных фильтров гармоник;
- статических тиристорных компенсаторов;
- трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения;
- устройств плавного пуска электродвигателей.
ВЫВОДЫ
1. В связи с переводом электроэнергетики на технологии интеллектуальных систем в промышленных системах электроснабжения может наблюдаться тенденция к увеличению ущербов от ПН и ПРН, что должно быть учтено при рассмотрении вопросов помехоустойчивости промышленного оборудования к воздействию такого рода помех.
2. Для повышения устойчивости технологического оборудования к ПН и ПРН, а также снижения ущербов, необходимо введение нормирования ПН и ПРН в составе стандарта ГОСТ 32144-2013 и их учета при рассмотрении вопросов проектирования и эксплуатации систем промышленного электроснабжения.
3. В системах электроснабжения промышленных предприятий для снижения влияния электроприемников, создающих помехи в виде ПН и ПРН на других промышленных потребителей, следует разделять их питание или внедрять в систему электроснабжения ответственных электроприемников источники бесперебойного питания.
ЛИТЕРАТУРА
- Добрусин Л.А. Проблемы качества электроэнергии и электроснабжения в России // Энергоэксперт, 2008, № 4(9). С. 30–35.
- Дед А.В., Сикорский С.П., Смирнов П.С. Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций // Омский научный вестник, 2018, № 2(158). С. 60–63.
- Куликов А.Л., Илюшин П.В., Вагин Г.Я., Севостьянов А.А. О корректировке требований к точности цифровой обработки сигналов токов и напряжений в активных системах промышленного электроснабжения // Известия РАН. Энергетика, 2021, № 1. С. 26–38.
- Николаев А.А., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2016, т. 14, № 4. С. 96–105.
- Рибейро П.Ф., Дуке К.А., да Силвейра П.М., Серкейра А.С. Обработка сигналов в интеллектуальных сетях энергосистем. М.: Техносфера, 2020. 496 с.
- Овсянников А.Г., Борисов Р.К. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Новосибирск: НГТУ, 2017. 196 с.
- ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200104301.
- Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Севостьянов А.А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. М.: Академия, 2010. 223 с.
- Борисов Б.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических установок. Киев: Наукова думка, 1985. 245 с.
- Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Пивняк Г.Г. и др. Электромагнитная совместимость потребителей. М.: Машиностроение, 2012. 351 с.
- Шидловский А.К., Борисов Б.П., Вагин Г.Я. и др. Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных предприятий. Киев: Наукова думка, 1992. 236 с.
- Овсянников А.Г., Борисов Р.К. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Новосибирск: НГТУ, 2017. 196 с.
- IEEE 446–1995. Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/653237.
- Менсон Дж. Решение проблем качества электроэнергии дешевле, чем терпеть от нее убытки // Энергоэксперт, 2008, № 4(9). С. 49–52.
- Справочник по электроснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий. Под общ. ред. С.И. Гамазина, Б.И. Кудрина, С.А. Цырука. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 744 с.
- Савина Н.В. Надежность электроэнергетических систем. Уч. пособие. Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2014. 194 с.
- Вагин Г.Я., Куликов А.Л. Качество электрической энергии в системах электроснабжения. Анализ состояния методов нормирования и контроля // Электрические станции, 2019, № 6(1055). С. 54–59.
- Руководство по устройству электроустановок, 2009. Schneider Electric. 500 с.
- ГОСТ 30804.4.7-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200103652.
- ГОСТ 30804.4.30-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200104665.
- ГОСТ 33073-2014. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200115349.
- Цапенко А.В., Тухас В.А. Системы мониторинга качества электрической энергии. Проблемы и пути контроля и управления качеством электроэнергии в электроэнергетике // Энергонадзор и энергобезопасность, 2007, № 2. С. 30–39.
- Куликов А.Л., Илюшин П.В., Вагин Г.Я., Севостьянов А.А. Способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения. Патент RU 2741269C1. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2741269C1_20210122.