К основным задачам измерения и анализа показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при проведение энергетического обследования относятся: обнаружение помех и их оценка; регистрация измеренных числовых характеристик в целях обработки и отображения результатов; оценка измеренных значений показателей качества электроэнергии на соответствие установленным требованиям; определение источника помех; проведение коммерческих расчетов между поставщиком и потребителем электроэнергии. Для организации измерений необходимо определить вид контроля, точку осуществления измерений и виды контролируемых ПКЭ. В зависимости от длительности наблюдения можно выделить два вида организации контроля: периодический и постоянный. Отличие постоянного контроля от периодического заключается в непрерывности времени измерений и обработки результатов [1-2].
Возможны два варианта реализации поставленной задачи по измерению и анализу ПКЭ: система мониторинга, основанная на методах виртуального моделирования физических процессов; система мониторинга, основанная на применении контрольно-измерительных приборов. На сегодняшний день методы виртуального моделирования широко применяются во всех областях науки и производства, так как они позволяют оперативно и с наименьшими затратами определить определенные параметры конечного результата [3-4]. Основным преимуществом второго варианта системы мониторинга ПКЭ является высокая точность, так как метод основан на измерениях физических величин [5-6]. Также исследования направленные на использование этого метода позволяют определить принципиально новые требования к приборам учета и мероприятиям, обеспечивающим оптимизацию ПКЭ [7-22].
Объектом исследования в данной научной работе являлся учебно-лабораторный корпус Политехнического института (филиала) ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном. Измерения показателей качества электроэнергии проводились в рамках ежегодного энергетического обследования здания. Целью проведения измерений являлась проверка работоспособности приобретенного оборудования и отработка методики измерений ПКЭ для дальнейшего использования их на объектах горных предприятий.
Измерения ПКЭ и их дальнейший анализ проводились согласно требованиям ГОСТ 32144-2013 [23-24] с использованием приборов «Ресурс-UF2М» и программного обеспечения «Ресурс-UF2Plus». Приборы были установлены в двух местах: в узле ввода учебно-лабораторного корпуса (УЛК) и на трехфазном источнике питания лабораторного стенда.
В качестве результатов измерений приведем данные, относящиеся к продолжительным изменениям характеристик и к случайным событиям: отклонение частоты, медленные изменения напряжения, колебания напряжения и доза фликера, несинусоидальность напряжения, в том числе гармонические составляющие, несимметрия напряжения, прерывания напряжения, провалы и перенапряжения, импульсные напряжения. Также покажем результаты измерения активной и реактивной мощности, коэффициента мощности, фазовых углов между током и напряжением. Измерения согласно требованиям ГОСТа проводились в течение семи дней. Для наглядного сравнения приведем данные в рабочий и выходной день.
1. Отклонение частоты: в рабочий день отклонений частоты, выходящих за требования ГОСТа, не наблюдалось; в выходной день в районе 15:00 наблюдались отклонения частоты. В этот момент времени значение частоты колебались от 49,67 Гц до 50,74 Гц, что превышает допустимое значение на 0,34 Гц в течение 100% времени измерения.
2. Медленные изменения напряжения. Фазные напряжения: в рабочий день значения отклонения по фазе С превышают допустимое значение 10% и достигают 11,95%, что в 1,2 раза больше нормы; в выходной день превышение достигает 13,12%, что в 1,3 раза больше нормы. Показания на фазах А и В не превышают допустимого значения. Межфазные напряжения: в рабочий день значения отклонения не превышают допустимого значения; в выходной день в отдельные часы превышение допустимого значения достигает 10,84%, что в 1,08 раза больше нормы.
3. Колебания напряжения и доза фликера: в рабочий день показания кратковременной дозы фликера в целом колеблются возле нормативного значения 1,38 и лишь в районе 15:00 происходит увеличение до 1,95; в выходной день наблюдаются более частые и более сильные превышения допустимого значения, максимальная величина которых в районе 01:30 составляет 5,5 pst. Соответствие по длительной дозе фликера ни в рабочий, ни в выходной день не выполняются, величина достигает 1,18, что превышает значение 1,0 за весь интервал измерений.
4. Несинусоидальность напряжения. Коэффициенты гармонических составляющих: показания коэффициентов n-ых гармонических составляющих и суммарный коэффициент и в рабочий и в выходной дни за весь период измерений не превышал допустимых значений для всего ряда гармоник трехфазной сети. Коэффициент искажения синусоидальности: показания коэффициентов искажения синусоидальности фазных и межфазных напряжений не превышает допустимого значения, которое равно 8%.
5. Несимметрия напряжения: коэффициент несимметрии по обратной последовательности и в рабочий и в выходной дни не превышает допустимого значения, и его максимум составляет 0,9%, тогда как коэффициент несимметрии по нулевой последовательности в рабочий день превышает допустимое значение, которое составляет 4% за весь период измерения на 0,69 и составляет 4,69%.
6. Случайные события: за весь период измерений прерываний, провалов, перенапряжений и импульсных напряжений не наблюдалось.
7. Значения активной и реактивной мощности: в рабочий день значение активной мощности ярко выраженно увеличивается в рабочее время с 08:30 до 17:30 в среднем с 4,5 до 9 кВт (в 2 раза), тогда как в выходной день такого значительного увеличения не происходит и лишь в период с 19:00 до 21:00 происходит увеличение в среднем с 4,5 до 6 кВт, это связано с уборкой учебных помещений.
8. Коэффициент мощности: показания коэффициента мощности, как в рабочий, так и выходной день в целом являются соответствующие требованиям и не опускаются ниже 0,93. В рабочий день в отдельные периоды времени коэффициент мощности достигает значения 1, это связано с рабой большого количества люминесцентных ламп.
9. Фазовые углы между током и напряжением: показания фазовых углов между токами и напряжениями в рабочий и выходной день примерно равны и составляют по фазам А – 450, В – 150, С – 00.
В заключение подведем итоги по соответствию измеренных показателей качества электроэнергии требованиям ГОСТ 32144-2013. В рабочий день соответствие качества электроэнергии выполняется: по отклонению частоты, по несинусоидальности напряжения, по несимметрии напряжения по обратной последовательности; не выполняется: по медленному изменению напряжения, по колебаниям напряжения и дозам фликера, по несимметрии напряжения по нулевой последовательности. В выходной день соответствие качества электроэнергии выполняется: по несинусоидальности напряжения, по несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательности; не выполняется: по отклонению частоты, по медленному изменению напряжения, по колебаниям напряжения и дозам фликера. Хотелось бы отметить, что прерываний, провалов, перенапряжений и импульсных напряжений, характеризуемых случайными процессами в системе электроснабжения, за весь период измерения зафиксировано не было.
Таким образом, можно сделать вывод, что наблюдается существенное перенапряжение по всем фазам. Отклонения частоты скорее можно отнести к единичным случайным процессам, чем к периодическому несоответствию. Отклонение коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности имеет место быть, но величина не является критичной и обуславливается высоким значением перенапряжения. Поставленные цели и задачи измерений были достигнуты, приобретенное оборудование показало свою работоспособность, методика измерений согласно ГОСТ 32144-2013 показала хорошие результаты и дала возможности для тщательного анализа проведенных измерений. Такая методика может в дальнейшем использоваться на объектах горных предприятий. Работа по измерению ПКЭ при проведении энергетического обследования УЛК будет продолжена. При дальнейших измерениях будут поставлены задачи выявления причин высоких значений перенапряжения, будет проведена апробация методики длительных непрерывных измерений ПКЭ (до 1 месяца). Измерения будут проводиться в двух точках: на трансформаторной подстанции, находящейся поблизости от учебно-лабораторного корпуса, и на узле ввода УЛК.