Качество электрической энергии и управление им

 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина 
 
 
 
 
 
 
 
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ  
И УПРАВЛЕНИЕ ИМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.316 
ББК 31.2 
Б64 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий  
Казанского государственного энергетического университета Е. И. Грачева; 
д. т. н., заведующий кафедрой электротехники и электроэнергетики  
Курской государственной сельскохозяйственной академии им. профессора 
И. И. Иванова, профессор В. И. Серебровский 
 
 
 
 
 
 
 
Бирюлин, В. И. 
Б64   
Качество электрической энергии и управление им : учебное пособие / 
В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 104 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1597-2 
 
Включены основные сведения о показателях качества электрической энергии, его 
влиянии на работу электроприемников и электрических сетей, регулировании частоты 
и напряжения в энергетических системах. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», а 
также для специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией систем 
электроснабжения.  
 
УДК 621.316  
ББК 31.2  
 
 
Публикация выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для 
государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук  
MK-5109.2022.4 «Разработка автоматизированной системы выявления объектов, 
оказывающих негативное влияние на качество электроэнергии». 
 
 
ISBN 978-5-9729-1597-2 
© Бирюлин В. И., Куделина Д. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

Оглавление 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 4
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
1 КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ........................................................ 6
1.1 Основные положения 
............................................................................................ 6
1.2 Показатели качества электроэнергии 
.................................................................. 7
1.2.1 Отклонение частоты 
........................................................................................... 7
1.2.2 Медленные изменения напряжения ................................................................. 9
1.2.3 Колебания напряжения и фликер ................................................................... 11
1.2.4 Несинусоидальность напряжения................................................................... 13
1.2.5 Несимметрия трехфазной системы напряжений .......................................... 18
1.3 Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников 
и электрических сетей 
............................................................................................... 20
2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ......................................... 27
2.1 Регулирование частоты 
....................................................................................... 27
2.1.1 Статические характеристики нерегулируемых агрегатов 
турбина-генератор ..................................................................................................... 32
2.1.2 Статические характеристики нагрузки .......................................................... 32
2.2 Регулирование частоты в простейшей энергосистеме .................................... 33
2.3 Способы и средства регулирования напряжения 
............................................. 42
2.3.1 Регулирование напряжения с помощью трансформаторов ......................... 48
2.3.2 Продольное и поперечное регулирование напряжения ............................... 55
2.3.3 Регулирование напряжения изменением перетоков 
реактивной мощности ............................................................................................... 57
2.4 Моделирование определения мест расположения источников фликера ...... 72
2.5 Моделирование определения мест расположения 
источников несимметрии ......................................................................................... 81
2.6 Моделирование определения мест расположения источников высших 
гармоник ..................................................................................................................... 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 99
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 100
 
3 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данное пособие предназначено для изучения студентами всех форм обучения направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» на дисциплинах «Электроснабжение», «Системы электроснабжения городов и промышленных предприятий», «Электрические станции и подстанции», «Качество и потери электроэнергии в электроэнергетических системах», в том числе и для самостоятельной 
работы, а также может быть использовано различными специалистами, занимающимися эксплуатацией систем электроснабжения. 
Издание представляет собой учебное пособие. В нем подробно изложены 
материалы для изучения показателей качества электроэнергии, его влиянии на 
работу электроприемников и электрических сетей, регулирования частоты и 
напряжения в энергетических системах. Таким образом, пособие, по существу, 
охватывает весь круг задач, связанных с качеством электроэнергии, с необходимой глубиной для студентов. Также при рассмотрении вопросов моделирования мест расположения источников нарушения качества электрической энергии 
приводятся результаты, полученные авторами пособия, что отличает его от ранее издававшейся литературы. 
Материал пособия имеет, прежде всего, учебную направленность, но наличие большого числа рисунков и схем позволяет использовать его также как достаточно полный справочник. Представленный материал можно использовать 
как во взаимосвязи, так и по отдельным частям, например, изучение способов 
регулирования напряжения и частоты может быть осуществлено без полного 
освоения материалов предыдущих разделов. 
Все замечания и предложения по данной работе будут с благодарностью 
приняты по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, кафедра электроснабжения. 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время электроэнергия является важнейшим фактором для 
развития всех стран мира. Эксплуатация систем электроснабжения оказывает 
значительное влияние на различные отрасли промышленности. Так, выработка 
электроэнергии в России в 2019 году составила 1 трлн 096,4 млрд кВтǜч, поэтому изучение вопросов качества электрической энергии является важной частью 
в деле подготовки квалифицированных специалистов энергетической отрасли. 
Дисциплины «Электроснабжение», «Системы электроснабжения городов и 
промышленных предприятий», «Электрические станции и подстанции», «Качество и потери электроэнергии в электроэнергетических системах» направлены 
на изучение систем электроснабжения и электрооборудования. Таким образом, 
данные дисциплины рассматривают вопросы проектирования, построения, эксплуатации систем электроснабжения. 
Для качественного изучения материала пособия необходимо использовать 
знания, полученные на предшествующих дисциплинах, таких как физика, теоретические основы электротехники, электрические сети, электрические аппараты. В свою очередь, рассмотренные в пособии материалы будут использоваться 
далее в учебном процессе, в особенности, в выполнении курсовых проектов и 
выпускных квалификационных работ.  
С точки зрения авторов, к наиболее важным материалам для подготовки 
специалистов энергетической отрасли следует отнести вопросы нормирования 
показателей электрической энергии и выявления потребителей, нарушающих 
качество электроэнергии. 
Читателям, впервые приступающим к изучению дисциплин Электроснабжение», «Системы электроснабжения городов и промышленных предприятий», 
«Электрические станции и подстанции», «Качество и потери электроэнергии в 
электроэнергетических системах», рекомендуется изучать пособие последовательно, начиная от основных сведений до способов моделирования потребителей, нарушающих качество электроэнергии. Такой подход позволяет изучать 
предмет, опираясь на материалы предшествующих разделов. Более подготовленные читатели могут изучать пособие в произвольном порядке.  
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 
 
1.1 Основные положения 
 
Качество электрической энергии (КЭ) представляет собой степень соответствия характеристик электроэнергии в рассматриваемой точке электрической 
системы совокупности нормированных показателей КЭ. Регламентирование КЭ 
производится нормативным документом ГОСТ 32144-2013, принятым Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации [1].  
Данный стандарт устанавливает показатели и нормы КЭ в точках передачи 
электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и 
высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц. 
Точка передачи электрической энергии определяется ГОСТ 32144-2013 как 
точка электрической сети, находящаяся на линии раздела объектов электроэнергетики между владельцами по признаку собственности или владения на 
ином предусмотренном законами основании, определенная в процессе технологического присоединения. 
Требования стандарта применяют при установлении норм КЭ в электрических сетях следующих видов: 
í систем электроснабжения общего назначения, присоединенных к Единой энергетической системе; 
í изолированных систем электроснабжения общего назначения. 
Требования стандарта применяют во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения, исключая режимы, обусловленные: 
í обстоятельствами непреодолимой силы: землетрясениями, наводнениями, ураганами, пожарами, гражданскими беспорядками, военными действиями; 
í опубликованием нормативно-правовых актов органов власти, устанавливающих правила временного энергоснабжения; 
í введением временного электроснабжения пользователей электрических 
сетей в целях устранения неисправностей или выполнения работ по минимизации зоны и длительности отсутствия электроснабжения. 
Стандарт ГОСТ 32144-2013 предназначен для применения при установлении и нормировании показателей КЭ, связанных с характеристиками напряжения электропитания, относящимися к частоте, значениям и форме напряжения, 
а также к симметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения. 
 
 
 
6 
 

Эти характеристики напряжения подвержены изменениям из-за изменений 
нагрузки, влияния кондуктивных электромагнитных помех, создаваемых отдельными видами оборудования, и возникновения неисправностей, вызываемых, в основном, внешними событиями. 
В результате действия этих факторов возникают случайные изменения характеристик напряжения во времени в любой отдельной точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети, а также случайные отклонения характеристик напряжения в различных точках передачи электрической энергии в конкретный момент времени. 
Изменения характеристик напряжения электропитания в точке передачи 
электрической энергии пользователю электрической сети, относящихся к частоте, значениям, форме напряжения и симметрии напряжений в трехфазных 
системах электроснабжения, подразделяют на две категории: продолжительные 
изменения характеристик напряжения и случайные события. 
Продолжительные изменения характеристик напряжения электропитания 
представляют собой длительные отклонения характеристик напряжения от номинальных значений и обусловлены в основном изменениями нагрузки или 
влиянием нелинейных нагрузок. 
Случайные события представляют собой внезапные и значительные изменения формы напряжения, приводящие к отклонению его параметров от номинальных. Данные изменения напряжения, как правило, вызываются непредсказуемыми событиями или внешними воздействиями. 
Применительно к продолжительным изменениям характеристик напряжения электропитания, относящихся к частоте, значениям, форме напряжения и 
симметрии напряжений в трехфазных системах, ГОСТ 32144-2013 устанавливает показатели и нормы КЭ. 
 
1.2 Показатели качества электроэнергии 
 
1.2.1 Отклонение частоты 
 
Частота переменного тока f является общесистемным параметром электроэнергетической системы и определяется выполнением балансом активной мощности. При возникновении дефицита генерируемой мощности, например, из-за 
увеличения мощности потребителей в системе происходит снижение частоты. 
Так как мощность большинства ЭП зависит от частоты, то на некотором значении частоты устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой 
мощности. Если возникает избыток генерируемой мощности, то происходит 
повышение частоты.  
7 
 

Частота напряжения электропитания: частота повторения колебаний основной гармоники напряжения электропитания, измеряемая в течение установленного интервала времени. 
Номинальная частота: номинальное значение частоты напряжения электропитания.  
Показатель КЭ, относящийся к частоте, - отклонение значения основной 
частоты напряжения электропитания от номинального значения ǻf, Гц: 
 
 
,
т
пот
f
f
f
Δ =
−
 
(1) 
 
где fm - значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале времени 10 с в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.30, 
прибором, имеющим класс А [2]; 
fnom - номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц, равное 50 Гц. 
Для данного ПКЭ ГОСТ 32144-2013 устанавливает следующие нормы: 
í отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения 
не должно превышать “0,2 Гц в течение 95  времени интервала в одну неделю 
и “0,4 Гц в течение 100  времени интервала в одну неделю. 
í отклонение частоты в изолированных системах электроснабжения с автономными генераторными установками, не подключенных к синхронизированным системам передачи электрической энергии, не должно превышать 
“1 Гц в течение 95  времени интервала в одну неделю и “5 Гц в течение 
100  времени интервала в одну неделю. 
На рис. 1 приведен фрагмент суточного графика отклонения частоты, полученного авторами пособия при проведении мониторинга качества электроэнергии. 
На этом графике показано изменение отклонения частоты в виде колебаний около нулевого отклонения частоты (частота во время проведения измерений имела значение близкое к номинальному). Отклонения частоты в 0,2 Гц и 
0,4 Гц указаны горизонтальными линиями. По приведенному фрагменту графика можно сделать вывод, что за рассмотренный промежуток времени отклонение частоты не превышало нормативных значений. 
 
8 
 

 
 
Рисунок 1 – Фрагмент суточного графика отклонения частоты 
 
1.2.2 Медленные изменения напряжения 
 
Медленные изменения напряжения электропитания (как правило, продолжительностью более 1 мин) обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети. Показателями КЭ, относящимися к медленным изменениям 
напряжения электропитания, являются отрицательное įU(-) и положительное 
įU() отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической 
энергии от номинального или согласованного значения, .  
Согласованное напряжение отличается от стандартного номинального 
напряжения электрической сети, устанавливается для конкретного пользователя электрической сети при технологическом присоединении в качестве напряжения электропитания. 
Положительное отклонение напряжения įU() представляет разность между измеренным и номинальным значениями напряжения в случае, когда измеренное значение больше номинального значения. 
Отрицательное отклонение напряжения įU(-) определяется как абсолютное 
значение разности между измеренным и номинальным значением напряжения в 
случае, когда измеренное значение меньше номинального значения. 
 
9 
 

Оба этих показателя рассчитываются по следующим формулам:  
 
−
−
−
δ
=
⋅
 
(2) 

0
( )
( )
0
100 ;
т
U
U
U
U
 
+
+
−
δ
=
⋅

(3) 

0
( )
( )
0
100 ,
т
U
U
U
U
 
где Um(-), Um() - значения напряжения электропитания, меньшие U0 и большие 
U0 соответственно, усредненные в интервале времени 10 мин в соответствии с 
требованиями ГОСТ 30804.4.30; 
U0 - напряжение, равное стандартному номинальному напряжению Unom или 
согласованному напряжению Uc. 
В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное 
напряжение электропитания Unom равно 220 В (между фазным и нейтральным 
проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 
380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трехфазных систем). 
В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения 
номинального напряжения электропитания принимают согласованное напряжение электропитания Uc. 
Для указанных медленных изменений напряжения установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке 
передачи электрической энергии не должны превышать 10  номинального или 
согласованного значения напряжения в течение 100  времени интервала в одну неделю. 
Более поздний ГОСТ 29322-2014 [3] устанавливает стандартные номинальные напряжения Unom в электрических сетях низкого напряжения равными 
соответственно 230 В и 400 В. 
В электрической сети потребителя должны быть обеспечены условия, при 
которых отклонения напряжения питания на зажимах ЭП не превышают установленных для них допустимых значений при выполнении требований настоящего стандарта к КЭ в точке передачи электрической энергии. 
На рис. 2 приведен фрагмент суточного графика отклонения напряжения, 
полученного авторами пособия при проведении мониторинга качества электроэнергии на том же самом энергетическом объекте, где получен предыдущий 
график. 
 
10