Обзор литературы по стандартам и методам контроля качества электроэнергии по гармоническим искажениям тока и напряжения

Аннотация: В статье выполнен обзор действующих стандартов и нормативных документов о качестве электроэнергии. Рассмотрены показатели качества электрической энергии (ПКЭ). Приведены нормы и методики измерений ПКЭ согласно действующим стандартам Российской Федерации.
Дана оценка ситуации, сложившейся в правовом, нормативно-методическом, техническом, метрологическом обеспечении контроля качества электрической энергии в настоящее время, и рассмотрены пути их дальнейшего развития и совершенствования.
Ключевые слова: показатели качества электрической энергии, средства измерений, несинусоидальность тока и напряжения, нелинейная нагрузка, гармоники.
Качество электроэнергии неразрывно связано с надежностью электроснабжения электроприемников и надежностью оборудования. Ухудшение качества электроэнергии всегда создает условия, приводящие к электротехническому и технологическому ущербу, к существенным экономическим убыткам, а также угрозе жизни и здоровью людей.
Многочисленные инструментальные исследования качества электроэнергии в электрических сетях различных классов напряжения показывают, что на сегодняшний день одной из острых проблем является искажение синусоидальности кривой напряжения. По данным мониторинга качества электроэнергии в электрических сетях 380В показывает, что практически на каждой третьей трансформаторной подстанции уровень искажения синусоидальности кривой напряжения, и особенно по 3-й, 9-й и 15-й гармоникам существенно превышает нормально допустимые значения.
Основной причиной возникновения данных помех является увеличение доли нелинейных электроприемников в жилых и общественных зданиях. В частности, увеличилась доля информационно-вычислительной техники, являющейся источником высших гармоник. Известно, что за последние 20 лет, доля электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой в составе электрической нагрузки в США возросла с 15% до 50% [1]. В Российской Федерации, как показано выше, также наблюдается тенденция увеличения доли нелинейных потребителей.
Большинство нелинейных электроприемников являются причиной несинусоидальной формы тока. Несмотря на относительно небольшую мощность каждого отдельного электроприемника, их массовое применение приводит к существенному искажению синусоидальности кривых напряжения и тока в электрических сетях, особенно в сетях низкого напряжения.
Высшие гармоники тока, обусловленные работой нелинейных электроприемников, негативно влияют на оборудование электрической сети. Протекая по элементам сети, высшие гармоники создают дополнительные потери активной мощности в них, ведущие к повышению рабочей температуры изоляции. Данные потери снижают пропускную способность линий электропередач по току основной частоты.
С 1 июля 2014 года был введен в действие ГОСТ 32144-2013 по требованиям к нормам качества электрической энергии, который пришел на смену ГОСТ Р 54149-2010 от 01.01.2013 и ГОСТ 13109-97 от 01.01.1999.
Согласно мнению ООО «ЛИНВИТ» (компании, которая непосредственно занималась разработкой нового ГОСТА) об изменениях в государственных стандартах на методы измерений и нормам качества электроэнергии [1]. Можно выделить две основные причины для введения нового стандарта.
Первая - это изменения в электроэнергетике, переход к применению рыночных отношений с реструктуризацией РАО ЕЭС, выделением отдельных субъектов электроэнергетики: генерирующих компаний, федеральной сетевой компании, межрегиональных сетевых комплексов, сбытовых организаций и др. Принят ряд законодательных и нормативноправовых актов, в которых установлена необходимость обеспечения качества электроэнергии субъектами электроэнергетики в рамках своей ответственности. Положениям этих документов не вполне отвечали некоторые требования ГОСТ 13109-97.
Вторая, не менее важная, состоит в том, что с 1 января 2014 г. были введены впервые новые стандарты ГОСТ 30804.4.30 - 2013 и ГОСТ 30804.4.7 - 2013, разработанные на основе применения международных стандартов по методам измерения показателей качества электрической энергии. Изложенные в них методы измерений и требования к средствам измерения существенно отличаются от положений ГОСТ 13109-97.
Так же следует отметить основные отличия нового стандарта от стандарта 1997 года.
Во-первых, отличие в иной области применения ГОСТ 32144-2013: настоящий стандарт устанавливает показатели и нормы качества в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей, а не в точках общего присоединения и на зажимах конечных электроприемников (для отклонений напряжения), как в ГОСТ 13109-97. Ведь именно в точках передачи электрической энергии происходит обращение электроэнергии в соответствии с договором на поставку или на услуги по передаче электрической энергии установленного качества.
Во-вторых, в новом стандарте по иному акцентирована ответственность за обеспечение качества электрической энергии: до точки передачи электрической энергии ответственность на сетевой организации, за этой точкой — на очередном пользователе сети. Так, потребителю требованием ГОСТ 32144-2013 предлагается в своей сети обеспечить условия, при которых отклонения напряжения питания на выводах электроприемников не превышают установленных для них допустимых значений, если выполняются требования настоящего стандарта в точке передачи электрической энергии. То есть на потребителей также возлагается ответственность за обеспечение требуемого качества электрической энергии.
В-третьих, нормы в ГОСТ 32144-2013 установлены как для электрических сетей систем электроснабжения общего назначения, присоединенных к Единой Энергетической Системе России, так и для изолированных систем электроснабжения общего назначения, в которых требования к некоторым показателям менее жесткие, например к допустимым отклонениям основной частоты. В ГОСТ 13109-97 это различие не оговорено.
В-четвертых, существенно изменена структура и содержание стандарта. В нем нет разделов о методах расчетов и измерений показателей качества электрической энергии, требований к средствам измерений, методам обследования качества электрической энергии в системах электроснабжения, содержащихся в ГОСТ 13109-97 и несоответствующих международным требованиям. Они содержатся в национальных стандартах ГОСТ 30804.4.30 - 2013, ГОСТ 30804.4.7 - 2013, на требования которых в ГОСТ 32144-2013 сделаны конкретные ссылки. При этом общим требованием при оценке показателей качества электрической энергии установленным в стандарте нормам является проведение измерений класса А по ГОСТ 30804.4.30 - 2013 с усреднением результатов измерения большей части параметров КЭ на 10 минутных интервалах времени для отчетного периода 1 неделя.
В-пятых, разработаны и введены в действие отраслевые документы к средствам измерений ПКЭ.
В последние годы государственные стандарты в области измерений параметров электрической энергии, относящихся к КЭ, активно развивались и были неоднократно переработаны (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Развитие государственных стандартов в области контроля КЭ
Важным изменением стала замена ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [3] на ГОСТ 32144-2013. Данные стандарты определяют различную номенклатуру показателей качества электроэнергии. Однако имеются и другие различия:
в ГОСТ 13109-97 количественные нормы ПКЭ приведены для точки общего присоединения (ТОП), а нормы в ГОСТ 32144-2013 — для точки передачи электрической энергии пользователям сети;
ГОСТ 13109-97 включает в себя описания методов измерений, а из ГОСТ 32144-2013 методы измерений перенесены в стандарты ГОСТ 30804.4.30-2013, ГОСТ 30804.4.7-2013, ГОСТ Р 51317.4.15-2012.
Сравнивая национальный и европейский стандарты, следует отметить в целом более жесткие требования к качеству электрической энергии национального стандарта. Это замечание справедливо для отклонения частоты, несинусоидальности напряжения, отклонения напряжения для 100 % результатов измерений. В некоторых случаях и вовсе отсутствуют нормативные значения для 100 % результатов измерений ПКЭ, называемые ранее предельно допустимыми значениями. Это относится к дозе фликера, несинусоидальности напряжения, несимметрии напряжений в трехфазных системах.
Рассматривая методы измерений ПКЭ, отметим, что в настоящее время еще используется методы измерений, установленные в старом «универсальном» стандарте ГОСТ 13109-97 (главное назначение которого - установление норм качества электрической энергии), а также уже используются новые методы измерений ПКЭ, установленные в новых «специализированных» стандартах [4] и [5].
В конце 2013 года появились специализированные международные стандарты на средства измерений ПКЭ [6, 7-10]. Их изучение и рассмотрение возможности их использования в РФ и ЕврАзЭС - один из вариантов дальнейшего развития стандартизации требований к средствам измерений, предназначенным для мониторинга качества электрической энергии.
Список литературы:
1. Григорьев, О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ [Текст] / О. Григорьев, В. Петухов, В. Соколов, И. Красилов // Новости электротехники. - 2002. - №6(18). - С. 54-57.
2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Москва: Стандартинформ, 2014. 20 c.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2006. — 33 с.
4. ГОСТ 30804.4.30-2013 (ГОСТ Р 51317.4.30-2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.
5. ГОСТ 30804.4.7-2013 (ГОСТ Р 51317.4.7-2008) Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств.
6. IEC 62586-1(2013) «Измерение качества электроэнергии в системах электроснабжения. Часть 1. Приборы для измерения параметров качества электроэнергии» (Power quality measurement in power supply systems - Part 1: Power Quality Instruments (PQI)).
7. IEC 62586-2(2013) «Измерение качества электроэнергии в системах электроснабжения. Часть 2. Функциональные испытания и требования к погрешности».
8. IEC/TR 61869-103:2012. Instrument transformers — The use of instrument transformers for power quality measurement — IEC, 2012 — 88 с.
9. IEC 61850 Part 90-17: Using IEC 61850 to transmit power quality data — IEC, 2017.
10. IEEE Standard 519-2014 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems — IEEE, 2014.